Materiales dieléctricos

Trabajo Práctico de Investigación
Materiales
Materiales
Dieléctricos
Dieléctricos
Docente Titular
Ing. Alberto Blanco
Universidad de Morón
Facultad de Ingeniería
Integrantes del Grupo
Daniel Di Leo
Guillermo Seara
Matías Zubaty
Universidad de Morón
FACULTAD DE INGENIERIA
Índice
Introducción...........................................................................................................
Dieléctricos............................................................................................................
Gases..................... ...............................................................................................
Líquidos.................................................................................................................
Sólidos...................................................................................................................
Barnices.................................................................................................................
Siliconas.................................................................................................................
Porcelana...............................................................................................................
Plásticos.................................................................................................................
Resinas Epoxy.......................................................................................................
Vidrios....................................................................................................................
Bibliografía.............................................................................................................
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Materia: Materiales Eléctricos (cod.704)
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Introducción
Desde el punto de vista práctico los materiales usados en electrotecnia se clasifican en
“conductores y aislantes”. Un material conductor es aquel que permite el paso de
corriente cuando está sometido a la acción de una fuerza electromotriz o diferencia de
potencial.
En cambio, cuando a un aislante ideal (o dieléctrico ideal) se le aplica una diferencia
de potencial, éste deja pasar solamente una breve corriente transitoria (corriente de
desplazamiento), que lo carga electroestáticamente. Esta carga o desplazamiento de
electricidad produce una fuerza contraelectromotriz igual y de signo contrario con lo cual
se equilibran los potenciales y la corriente de desplazamiento cesa.
Las clasificaciones en “conductores y aislantes“ (convenientes desde el punto de vista
práctico) no son estrictamente exactas, no existe un límite definido claramente y además
deben especificarse las condiciones a las cuales estará sometido el material. Una
sustancia puede impedir prácticamente el paso de corriente con una determinada tensión
aplicada si ésta es suficientemente baja, y al mismo tiempo puede no ser apropiada como
aislante para tensiones más elevadas, o también algunos materiales prácticamente no
conductores a temperaturas ordinarias se vuelven buenos conductores si se los calienta
suficientemente.
Por ello, inferimos a la siguiente definición:
Material Aislante:
Es toda sustancia de tan baja conductibilidad que el paso de la corriente a través de
ella puede ser despreciado. La corriente que circula por un aislante, en términos
generales se denomina “corriente de fuga“.
Los aislantes se caracterizan (se definen) por su resistencia de aislación, normalmente
expresada en Megohms.
En máquinas eléctricas, lo normal es que la resistencia de aislación sea superior a 1
Megohm, para autorizar su utilización.
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Dieléctricos
Definición:
Según la "American Standard Association" (ASA) :
“Un dieléctrico es por definición un medio con la propiedad que la energía requerida
para establecer un campo eléctrico en él (o sea, polarizarlo), es recuperable en su
totalidad o en parte, como energía, cuando se elimina la causa que origina el campo”.
El establecimiento de un campo eléctrico, o lo que es lo mismo, la aplicación de la
diferencia de potencial, va acompañada por “ corrientes de desplazamiento” o corrientes
de carga.
El vacío es el único dieléctrico perfecto, ya que establecer en él un campo eléctrico
requiere una cierta cantidad de energía, que luego devuelve íntegramente si se elimina la
tensión que originó el campo.
Los materiales aislantes, son dieléctricos imperfectos, que no restituyen toda la
energía que almacenan, sino que se producen en los mismos ciertas pérdidas; las cuales
siempre se presentan cuando son sometidos a un gradiente de potencial.
Polarización del dieléctrico:
Como antes mencionamos, la aplicación de un campo eléctrico sobre un dieléctrico
conlleva a su polarización. En esta sección ese fenómeno de polarización se estudia en
detalle.
•
Polarización eléctrica de la materia:
En los átomos aislados, debido a su simetría esférica, el centro de masa de los
electrones coincide prácticamente con el núcleo. Por lo tanto, los átomos no poseen
momentos dipolares eléctricos permanentes. Sin embargo, cuando se coloca un átomo en
un campo eléctrico, se polariza y adquiere un momento dipolar eléctrico inducido en la
dirección del campo. Este momento dipolar es el resultado de la perturbación en el
movimiento de los electrones producida por el campo eléctrico aplicado. Las moléculas
también pueden adquirir un momento dipolar eléctrico inducido en la dirección del campo
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externo. Por lo tanto si se coloca un aislante en un campo eléctrico, sus átomos o
moléculas se convierten en dipolos eléctricos orientados en la dirección del campo
aplicado.
Cuando los dipolos eléctricos de una sustancia se alinean de manera espontánea o
debido a la acción de un campo eléctrico externo, decimos que la sustancia esta
polarizada.
A continuación describiremos los distintos tipos de polarización:
•
Polarización electrónica
Un proceso que sucede con frecuencia es el de la polarización electrónica. Cuando se
aplica un campo eléctrico E (en volts) a un material, la nube de electrones de un átomo se
desplaza fuera del centro de la carga nuclear positiva. A continuación el átomo funciona
como un dipolo temporal o inducido. Esta clase de polarización se puede presentar en
todos los materiales, independientemente del tipo de enlace que haya en el sólido.
Cuando se quita el campo, la polarización desaparece.
•
Polarización iónica
Otro mecanismo de polarización es el de desplazamiento de aniones y cationes en los
cristales, en relación con sus posiciones normales. El campo eléctrico aplicado causa
separación de cargas: los cationes son atraídos hacia el electrodo negativo y los aniones
se mueven hacia el electrodo positivo. A este tipo de polarización se la llama polarización
iónica, o atómica. Su importancia es extrema en los materiales iónicos.
•
Polarización molecular
Hay un tercer tipo de polarización, la polarización molecular o dipolar, que se relaciona
con el alineamiento de moléculas con dipolo permanente. El campo externo hace que los
dipolos se orienten en dirección paralela a la del campo. La polarización dipolar es común
en las cerámicas iónicas, que incluyen a los silicatos, y en los polímeros polares.
A diferencia de la polarización electrónica, que implica dipolos temporales, la
polarización molecular puede persistir después de quitar el campo externo, por la
naturaleza permanente de los dipolos que intervienen. Por ejemplo, se puede someter un
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polímero polar amorfo a un campo eléctrico, a una temperatura mayor que la de su
transición vítrea, donde se puede presentar un movimiento molecular apreciable, para
enfriarlos después a menos de su transición vítrea en presencia del campo, para
“congelar” la estructura alineada. Los polímeros con esta estructura metaestable se
llaman polarizados, o polares. Los que retienen esta estructura durante un largo tiempo se
llaman electretos y se usan en distintas aplicaciones que incluyen la filtración del aire. En
esta filtración, se eliminan partículas de polvo cargadas de una corriente de aire,
haciéndolas pasar por una malla de fibras finas de electreto cargado.
•
Polarización interfacial
Una última causa de polarización es la polarización interfacial. Esta clase de
polarización sucede cuando el movimiento de portadores móviles de carga, acelerados
por un campo eléctrico externo, es impedido por una barrera física, donde se acumulan
dichos portadores. Las barreras físicas más comunes son los límites de grano o de fase y
las superficies libres. La polarización interfacial es un concepto importante en las
estructuras de defectos en cerámicas y un factor importante en el comportamiento
dieléctrico de sólidos iónicos.
•
Polarización neta
Acabamos de describir los cuatro mecanismos de polarización en los materiales:
electrónica, iónica, molecular e interfacial. La polarización neta de un dieléctrico es la
suma de las contribuciones de esos cuatro mecanismos. El grado de respuesta de cada
mecanismo es lo que diferencia a los materiales. La estructura a escala atómica y también
la micro estructura son variables importantes para determinar el grado de respuesta en
cada uno de esos mecanismos. Por ejemplo, el grado de polarización iónica y molecular
depende mucho en la clase de átomos y del tipo de enlace presente en la muestra,
mientras que el grado de polarización interfacial se relaciona con la densidad de defectos
planares.
Otro factor importante es la frecuencia del campo electromagnético aplicado. Cada
uno de los cuatro mecanismos de polarización sucede en una escala distinta de tiempo, y
en consecuencia, tiene un intervalo limitado de frecuencias en las que puede contribuir en
forma apreciable a la polarización neta de la muestra. Los mecanismos de polarización de
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alta frecuencia, electrónicos e iónicos, dominan las propiedades ópticas de los materiales,
mientras que los de menor frecuencia, moleculares e interfaciales, controlan en general
las propiedades dieléctricas.
•
Vector de polarización
Un medio no conductor que puede ser polarizado se conoce como dieléctrico. La
polarización da lugar a una carga positiva neta en un lado del trozo de materia y una
negativa en el lado opuesto. El material se convierte en un gran dipolo eléctrico que tiende
a moverse en la dirección en la que aumenta el campo eléctrico.
La polarización P de un material es una magnitud vectorial definida como el momento
dipolar eléctrico del material por unidad de volumen. Por lo tanto si p es el momento
dipolar inducido en cada átomo o molécula y n es el número de átomos o moléculas por
unidad de volumen, la polarización es P = n.p. En general la polarización P tiene la misma
dirección que el campo eléctrico aplicado.
Consideremos ahora una placa de un material de grosor l y área superficial S colocado
perpendicularmente a un campo uniforme E. La polarización P, como es paralela a E,
también es perpendicular a S. El volumen de la placa es l.S y, por consiguiente, su
momento dipolar eléctrico total es P.(l.S) = (P.S).l. Pero l es tan sólo la separación entre
las cargas positivas y negativas que aparecen en las dos superficies de la placa. Por
definición el momento dipolar eléctrico es igual a carga por distancia, por lo que debemos
concluir que la carga eléctrica total que aparece sobre cada una de las superficies de la
placa polarizada es P.S y la carga por unidad de área es P.
Características de los dieléctricos:
De la teoría electrónica de la materia, y sin adentrarnos mucho en ella, ya que no es el
objetivo de este trabajo, podemos asegurar que la propiedad conductora de un material o
a la inversa, la propiedad dieléctrica esta dada por la mayor o menor presencia de
“electrones libres” o por la mayor o menor facilidad para que estos se produzcan.
En los metales como la plata, cobre, aluminio, hierro, carbón, etc la conductibilidad es
grande (ofrecen poca resistencia al paso de la corriente eléctrica) y se los clasifica como
conductores.
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En otras sustancias como el vidrio, la mica, el papel, la ebonita, los gases, los aceites,
etc. la actividad iónica es baja, mucho más reducida, siendo la resistencia que oponen al
paso de corriente comparativamente millones de veces mayor, y por ello se los clasifica
como aislantes o dieléctricos. La teoría explica también el cambio de comportamiento en
cuanto a la propiedad conductora o aislante de una sustancia cuando se ve afectada por
agentes externos, como el calor, la radiación, una descarga eléctrica (arco), etc.
Estos agentes “activan” la presencia de electrones libres y así una sustancia
normalmente mala conductora (aislante) puede frente a estos hechos, transformarse en
buena conductora.
Un ejemplo típico son los gases, que por lo general, en estado normal, son poco
conductores eléctricos, pero si aumentamos su temperatura, o los hacemos pasar por una
zona en donde se desarrolla un arco eléctrico, una llama o un metal incandescente, su
conductividad aumenta y esto se debe a que el incremento de temperatura lleva a un
incremento de electrones libres, llamándose este fenómeno como “ionización del gas”.
De todas maneras, siempre existe una conducción de corriente a través del dieléctrico,
lo cual hace que no exista un límite definido que permita separar categóricamente
conductores de aislantes.
Como dijimos anteriormente, los aislantes son dieléctricos imperfectos, debido a que
los mismos no restituían la totalidad de la energía absorbida cuando se les quitaba el
campo eléctrico externo aplicado, y ello se debe a que los mismos presentan pérdidas al
someterlos a un gradiente de potencial.
Estas son:
1 ) Corrientes de desplazamiento o corrientes de carga.
2 ) Corriente de absorción o de pérdida volumétrica
3 ) Corriente de conducción o de pérdida superficial.
Las características del dieléctrico antes vistas admiten un “circuito eléctrico equivalente”
que permite explicar su comportamiento cuando se le aplica una f.e.m., o gradiente de
potencial, que esté por debajo de la tensión disruptiva o tensión de perforación.
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C
A
R1
B
R2
C: Capacitor que representa la
capacitancia del dieléctrico.
R1: Resistencia que es responsable de
las pérdidas por absorción en el
dieléctrico.
R2: Resistencia que corresponde a las
pérdidas por fuga o superficiales.
La capacidad C, define al dieléctrico en su propiedad de almacenar la energía que
luego devuelve al desaparecer la f.e.m. aplicada.
R1 define la corriente absorbida por la llamada “resistencia de aislación volumétrica”
R2 define la corriente de fuga o corriente superficial (corriente que circula por la
periferia del dieléctrico).
Si el dieléctrico fuese perfecto, ocurriría que:
R1=0, donde no hay corriente de absorción, ni energía disipada en forma de calor por
esa corriente.
R2=∞, no hay corrientes de fuga.
Por lo cual el aislante se comporta como un capacitor que almacena energía hasta
equilibrar la f.e.m. aplicada y luego la devuelve íntegramente al quitarse dicha f.e.m.
Cabe mencionar que los valores de C, R1 y R2 no son constantes, sino que varían en
función de la temperatura, la frecuencia y la tensión, y son característicos de cada
material.
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Resistencia de Aislación
Hemos visto que en los dieléctricos reales existen pérdidas que se traducen en calor y
que tienen siempre dos caminos posibles:
•
a través del dieléctrico
•
por la superficie del mismo
Las pérdidas o fugas volumétricas, dependen de la naturaleza del material dieléctrico y
varían con la temperatura.
Las pérdidas o fugas superficiales, dependen también del dieléctrico pero están
notoriamente condicionadas por el grado de conservación del mismo, fundamentalmente
por la humedad presente, depositada sobre la superficie, y la suciedad ( polvo, partículas
conductoras y semiconductoras, etc.)
Los dos caminos de fuga están en paralelo y en el circuito equivalente están
representados por R1 y R2 respectivamente. Siempre ocurre que R1 es mucho mayor que
R2 (R1>>R2), es decir que las pérdidas o fugas superficiales, son mucho mayores que las
volumétricas. De hecho la pérdida total, esta dada en gran medida por el valor de las
pérdidas superficiales.
Asimismo la resistencia de aislación total es la que corresponde a una resistencia
equivalente R que sustituye a R1 y a R2 en paralelo.
R
Precisamente es este valor R la “resistencia de aislación”
que medimos con un Megohmetro, cuando lo hacemos sobre
los bobinados de una máquina o de un aparato eléctrico. Los gases (aire, hidrógeno,
nitrógeno, etc. ) mientras no contengan impurezas y no estén ionizados, tienen resistencia
de aislación infinita.
De todos modos queda claro que debemos distinguir dos resistencias de aislación en
un trozo de material aislante:
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•
Resistencia de aislación volumétrica R1
•
Resistencia de aislación superficial R2
A cada una de ellas le corresponde, o lleva asociada, una resistencia específica o
resistividad.
Resistividad Volumétrica:
Depende de la naturaleza del material y se expresa en [Ohm.cm] o más comúnmente
en [Mohm.cm]. Varía con la temperatura y debe señalarse que casi la totalidad de los
materiales dieléctricos tienen “coeficiente de temperatura negativo“, esto significa que la
resistividad volumétrica disminuye con el aumento de la temperatura, (se hace más
conductor).
En la mayoría de los materiales, también se cumple que las pérdidas a través del
aislante (pérdidas volumétricas) son muy pequeñas con relación a la pérdida o fuga
superficial.
En una muestra de material poroso (mármol, pizarra, etc.) se comprueba que la
resistencia de aislación volumétrica (por tanto la resistividad ρ.V) disminuye cuando la
tensión aplicada aumenta (recordar que la porosidad implica la presencia de gases o de
aire ocluido que tienden a ionizarse al crecer la tensión). Con los procesos de horneado
(secado previo) se logra, por eliminación de la humedad ocluida, un notorio crecimiento
del valor de la resistividad volumétrica.
La resistividad volumétrica, se calcula a partir del
valor de la resistencia medida entre dos electrodos
metálicos planos de área conocida, que mantienen
contacto íntimo entre las caras paralelas y o puertas
de una muestra del material de ensayo. Se
consideran electrodos satisfactorios a este fin, hojas
o láminas de estaño aplicadas con gran presión entre las caras de la muestra.
Una forma más eficiente de medir la resistividad volumétrica, es cuando la muestra
flota sobre un electrodo inferior de mercurio, y el electrodo superior (que también es de
mercurio) se vierte sobre la muestra y queda retenido por un contenedor. Al electrodo
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superior se lo conecta con una fuente de tensión y con un galvanómetro, mientras que el
otro extremo de la fuente se conecta al electrodo inferior, como se ve en la figura.
Conocida el área de contacto A y
medida la resistencia R en Mohms,
para la muestra de espesor d, el valor
de la resistividad volumétrica se
calcula así:
ρ ⋅V = R ⋅
A
[ Mohm ⋅ cm ]
D
Resistividad Superficial:
Al igual que la resistividad volumétrica, depende de la naturaleza del material, y se
puede definir como “el valor de resistencia medida entre dos lados opuestos de una capa
de material aislante, de superficie igual a 1 cm2 “
Esta medición es dificultosa, y toda capa o película de material por delgada que sea,
tiene siempre un espesor y por consiguiente un volumen. Vale decir que al efectuar esta
deformación no puede evitarse de que estén presentes las pérdidas o fugas volumétricas.
Dado que la resistividad volumétrica es, en
general,
siempre
mucho
mayor
que
la
superficial, se desprecia esa pérdida y el
ensayo se realiza sobre un trozo mayor de
aislante (hojas o láminas) aplicando dos
electrodos
paralelos
en
forma
de
tiras
conductoras (láminas de estaño) separadas
entre sí d cm. y manteniéndolas fuertemente presionadas contra la muestra en ensayo.
La resistencia R, medida entre los 2 electrodos, será directamente proporcional a la
distancia d, longitud que los separa, e inversamente proporcional al ancho L de la
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muestra que representa o cuantifica la sección transversal de la muestra. El coeficiente de
la proporcionalidad es ρ.S, “resistividad superficial“ y se determina:
ρ ⋅S = R⋅
L
[ Mohm ]
d
Si en un determinado material la resistividad volumétrica no fuera elevada, habría que
tener en consideración este hecho, dado que la resistencia en paralelo que está presente,
no siendo muy alta, introduce un factor de distorsión que afecta al resultado y debe
corregirse.
La resistencia superficial de aislación es 100.000 veces mayor con poca humedad,
que con alto grado de humedad. Esto explica porque es necesario proceder al secado de
máquinas y aparatos eléctricos, en lugares de clima húmedo, y siempre antes de
someterlos a una prueba de aislación o de una puesta en servicio, luego de un período
más o menos prolongado de detención. En muchas ocasiones, no es suficiente el secado,
ya que la suciedad influye notoriamente, de modo que lo correcto es limpieza y secado.
Cuando en una máquina o en un aparato eléctrico se mide la resistencia de aislación,
lo que se está midiendo es un valor combinado de la resistencia de aislación volumétrica y
de la resistencia de aislación superficial; dicho de otro modo, medimos una resistencia
equivalente, que es la resistencia del circuito equivalente eléctrico simplificado.
Capacidad o Permitancia de un dieléctrico
Hemos mencionado que los materiales dieléctricos tienen la propiedad de almacenar
electricidad, como cargas electrostáticas cuando son sometidas a la acción de un
gradiente de tensión entre caras paralelas. Asimismo, devuelven esa energía absorbida
cuando se elimina la causa que la originó, es decir, al suprimir la diferencia de potencial
aplicada.
Se comprueba que la cantidad de electricidad Q que pasa a través del dieléctrico es
directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada entre placas, mientras esta
no supere el limite de seguridad (tensión disruptiva) del aislante. Es decir:
Q = C . ∆V siendo entonces C = Q / ∆V [ Faradio]
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Lo anteriormente dicho se verifica si entre las caras paralelas de un trozo de dieléctrico
se aplica una f.e.m. variable. Cuando la diferencia de potencial es ∆V, aparece una carga
de valor Q. Incrementando la tensión aplicada, esta toma valores ∆V1, ∆V2, ∆V3 y las
cargas que aparecen son Q1, Q2 y Q3 comprobándose que la relación:
Q
Q
Q
Q
= 1 = 2 = 3 = C = Cte
∆V ∆V1 ∆V2 ∆V3
La capacidad se puede definir como “ la carga eléctrica que aparece entre las caras de
un capacitor, separadas 1 cm., cuando se le aplica una diferencia de potencial unitario en
un campo eléctrico uniforme”.
La capacidad C, depende de las dimensiones físicas y de la naturaleza propia del
dieléctrico, de esto resulta que:
C = k ⋅ ka ⋅
A
L
Capacidad de un condensador de caras paralelas de sección
A(cm2), separadas entre sí L(cm), cuando está situado en el
vacío y en un campo eléctrico uniforme.
En esta expresión,
ka= permitividad absoluta del vacío = 1
k = constante dieléctrica del material o permitividad relativa
Cada material tiene su propia constante dieléctrica k y ésta varía con el grado de
pureza del mismo, con su tratamiento, con la temperatura y con la frecuencia, además de
otros factores.
Por eso no se dan valores exactos sino los límites entre los que fluctúa normalmente.
La expresión C = k . ka . A / L es la forma más universal de expresar la capacidad, ya
que de ese modo siendo ka la permitancia o capacitancia absoluta del vacío, la expresión
se transforma en C = k . Cvacío . Es decir, la constante dieléctrica de un material permite
comparar la capacidad de un capacitor de un determinado volumen, con otro del mismo
volumen y dimensiones que fuera de vacío absoluto (o prácticamente de aire).
Igualmente, la constante dieléctrica de un material, se la conoce como capacidad
específica o como permitividad relativa.
A continuación se exponen las constantes eléctricas (k) de materiales característicos:
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Aceite
Agua
Azufre
Baquelita
Caucho
Ebonita
Fibra
2,2-2,7
81
3,6-4,2
4,5-5,5
2,0-3,5
2,8
2,5-5
Goma Laca
Mármol
Mica
Papel
Porcelana
Vidrio
2,9-3,7
8,3
2,5-6,6
2,0-2,6
5,7-6,8
5,4-9,9
Cuando se aplica tensión a un dieléctrico o a un capacitor, el mismo se carga, para lo
cual hace falta cierta energía necesaria para transportar las cargas eléctricas a través de
la diferencia de potencial existente entre sus caras.
Esa energía vale:
W =
1
⋅ C ⋅ ∆V 2
2
Paso de corriente en un dieléctrico:
Ya mencionamos que a través de un dieléctrico isótropo colocado en un campo
eléctrico variable puede considerarse que en todo instante existen siempre los siguientes
efectos:
•
Corrientes de desplazamiento
•
Corrientes de absorción
•
Corrientes de conducción o de fuga
En esas condiciones la única corriente presente, o que permanece, es la llamada
“corriente de desplazamiento“ (carga y descarga del dieléctrico). Las otras dos se
traducen en calor, constituyendo las “pérdidas en el dieléctrico”.
Según la A.S.A. , La perdida en el dieléctrico es la energía por unidad de tiempo
transformada en calor en el dieléctrico, cuando es sometido a un campo eléctrico variable.
Como sabemos, el circuito simplificado equivalente del dieléctrico esta compuesto por
una R y un C, de lo cual podemos decir entonces que la impedancia del dieléctrico será:
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Xc =
Z = r – j Xc
R
1
2 ⋅π ⋅ f ⋅ C
En un aislante ideal, no existen corrientes de
fuga, ni de volumen, por lo cual las pérdidas son
θ
nulas (r=0), y sólo existen las corrientes de
δ
desplazamiento. Los vectores U e I
están
perfectamente perpendiculares (I en cuadratura y
adelanto respecto a U) con lo cual la potencia
activa consumida por el dieléctrico es nula.
Si llegara a existir alguna pérdida o fuga en el dieléctrico el ángulo θ dejará de valer
90º, tendiendo a disminuir, con lo cual el cos θ que antes era nulo, ahora tomará valores
significativos a medida que el ángulo disminuya, evidenciando así las pérdidas en el
dieléctrico, ya que P = U.I.cos θ = Pdisipada.=Ppérdida
Es evidente que si θ=90 entonces P=0, y por el
contrario, si θ=0, entonces P=U.I, o sea, las
pérdidas en el dieléctrico son máximas. Ambos
δ
casos, obviamente, son imposibles de alcanzar
pero es notable que de alguna manera el cos θ
θ
nos puede servir para cuantificar la energía
disipada por unidad de tiempo. Normalmente, en vez de considerar al ángulo θ, se utiliza
su complemento, el ángulo δ.
De las identidades trigonométricas podemos asegurar que cos θ = sen δ, y también
podemos establecer una aproximación cuando δ → 0, la cual será sen δ ~ tg δ, con lo
cual ahora el factor de potencia podemos llamarlo también tg δ, donde:
Tg δ =
r
= 2 ⋅π ⋅ r ⋅ f ⋅ C
Xc
El valor “tangente δ” cuantifica entonces las pérdidas por calentamiento que tiene un
aislante. Además se utiliza para fines comparativos entre aislantes, o más aún, para
determinar
el
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grado
de
conservación
del
material
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comparando
sus
valores
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periódicamente, antes y después del uso en una máquina eléctrica. Si tg δ aumentó,
significa que la r también aumentó, con lo cual la Ppérdida será mayor, ocasionando
nuevas pérdidas por fuga y absorción, lo cual es un indicio claro del deterioro del aislante.
Normalmente, tangente δ, se denomina factor de potencia de un dieléctrico y el ángulo
δ, se lo llama ángulo de pérdida dieléctrica.
La potencia de pérdida en un dieléctrico se expresa en [Watts/cm3], y puede calcularse
con la siguiente expresión:
Ppérdidas
10 −12
=
1,8 ⋅ f ⋅ k ⋅ tgδ ⋅ e 2
Rigidez Dieléctrica:
“La rigidez dieléctrica de un material aislante es el máximo gradiente de potencial que
puede resistir el material sin que se produzca la descarga disruptiva”.
Cuando se produce la descarga disruptiva (perforación), desaparece la propiedad
aislante y aparece la característica conductora.
Medición de la rigidez dieléctrica:
Se calcula normalmente, dividiendo la tensión disruptiva , por el espesor del aislante
colocado entre los dos electrodos de prueba. ( Prescindiendo del valor máximo real del
gradiente de tensión disruptiva ).
Este valor depende en gran medida de la forma en que se realiza el ensayo, del
espesor de la muestra, de los electrodos, de la temperatura, de la frecuencia, del régimen
de aplicación de la tensión, duración de la prueba y de la humedad ambiente.
De modo que para obtener resultados comparables es necesario definir condiciones
de ensayo. La medición de la rigidez de un material, determina su posibilidad de uso en
comparación con otros materiales conocidos.
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Las pruebas se llevan a cabo generalmente aplicando tensión alterna industrial de 25
hz., o más normalmente 50 a 60 hz., entre dos electrodos. La forma de onda deber ser lo
más sinusoidal posible, y se debe ir incrementando en forma gradual y continua.
Siendo la forma de la onda de tensión sinusoidal, la descarga disruptiva la produce la
tensión máxima Emax, cuya relación con el valor eficaz Eef que se lee en el voltímetro es:
2
Emáx
=
= 1,4142
1
Eef
La rigidez dieléctrica se puede expresar en [Volt/Cm]; [Kvolt/Cm]; [Volt/pulg];
[Kvolt/pulg].
Factores que influyen en la determinación de la rigidez dieléctrica.
Influencia del espesor del aislante:
La tensión de perforación en un material aislante crece con el espesor (d) del mismo,
pero no en forma lineal. De modo que su rigidez dieléctrica (U/d) disminuye con el
crecimiento del espesor, como puede apreciarse en las figuras.
La explicación está dada porque la disrupción es debida en gran medida a la
temperatura excesiva, y como una lámina gruesa no puede disipar el calor con igual
facilidad que una lamina delgada, se crea un gradiente de temperatura mayor a igualdad
de frecuencia y de densidad de flujo eléctrico. Además es mucho más difícil que una
lámina gruesa sea tan homogénea y libre de defectos como una delgada. Esto provoca
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que el aumento de la rigidez dieléctrica en función del espesor no sea lineal, sino una
curva del tipo logarítmica.
Influencia de los electrodos de prueba:
Si los electrodos no tienen forma conveniente pueden aparecer esfuerzos dieléctricos
excesivos (concentrados ) en los bordes afilados o puntas, dando como resultado la
disrupción en el dieléctrico a tensiones menores que con electrodos en condiciones
normales. Las figuras siguientes, sugieren de por si las consecuencias.
Para que los resultados sean comparativos, las condiciones de ensayo deben estar
definidas por una especificación que “normalice” las condiciones de prueba. Por ejemplo,
un aceite para transformador que soporta de 88.500 a 98.000 Volts/cm cuando se lo
ensaya entre discos separados ½” (12,7 mm.), sólo soporta 79.000 Volts/cm cuando se lo
prueba entre esferas.
Influencia de la frecuencia (f):
El aumento de la frecuencia conduce a un aumento de las “pérdidas dieléctricas”, que
se traducen en aumento de temperatura y en consecuencia en disminución de la rigidez
dieléctrica.
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Influencia de la forma de onda:
Cuando la onda es sinusoidal pura, la tensión eficaz que se lee en el voltímetro guarda
relación con la tensión máxima, siendo Emax= 1,4142.Eef
Si la onda es deformada, a igual valor máximo de tensión, le puede corresponder una
menor tensión eficaz (lectura del voltímetro), con lo que estamos registrando una “tensión
disruptiva menor “, y en consecuencia una rigidez dieléctrica menor.
Influencia del tiempo de duración:
La resistencia de aislación varía con la velocidad de crecimiento de la tensión que se
aplica. La velocidad de crecimiento de la tensión favorece la “descarga disruptiva”.
Igualmente, un material soportando una cierta tensión luego de un tiempo de aplicación,
puede “perforarse”; mientras que este mismo material podría soportar tensiones más
elevadas si el tiempo de aplicación fuese más breve, (esto podría atribuirse al
calentamiento creciente que va reduciendo la rigidez dieléctrica). Por ello, cuando se le
hace el ensayo de rigidez a un bobinado, se especifica internacionalmente el tiempo de
duración de la tensión aplicada (1 minuto). También se dan indicaciones acerca de la
velocidad de crecimiento de la tensión que se aplica.
En los ensayos de rigidez dieléctrica de una máquina, para verificar el estado de sus
aislantes, se debe proceder con prudencia, pues se pueden dañar o envejecer las
aislaciones (estos ensayos,
no tienen relación con la determinación de la rigidez
dieléctrica del material).
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Propiedades Físicas y Eléctricas que deben satisfacer los aislantes:
En correspondencia con el objetivo de utilización, un buen material aislante debe
poseer en forma notable las siguientes propiedades:
•
Elevada Rigidez Dieléctrica [ Volts/cm]
•
Resistencia de Aislación suficientemente elevada [Megohms]
•
Mínima pérdida dieléctrica (Tangente δ muy pequeña)
•
Estabilidad al calor
•
Mínima o ninguna higroscopicidad
•
Homogeneidad del material ( isotropía )
•
Inalterabilidad a los ácidos
•
Ausencia de acidez
•
Buena conductividad y capacidad térmica
•
Buenas condiciones mecánicas (en aislantes sólidos), plegabilidad,
resistencia mecánica, buena utilización del espacio, etc…
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Tablas informativas:
Material
Espesor ( mm.)
Mica
Micanita
Pressphan
Leatheroid
Tela de lino barnizada
Mica-papel
Mica-tela
Mica-papel
Mica-tela
1
1
1
1
0.2
0.2
0.2-0.3
0.3
0.5
Pressphan:
Tensión de perforación
Eef.( Volts)
58.000
38.000-35.000
10.000
10.000
8.000
1.000-3.500
1.000-3.500
2.000-5.000
3.000-6.000
Cartón prensado de estructura muy compacta y superficies lisas. Las
fibras están unidas por vía mecánica
Leatheroid: Cartón donde las fibras celulósicas están unidas por vía química formando
una masa dura
Material
Aire
Asfalto
Acetato de celulosa
Tela Barnizada
Tela Aceitada
Algodón
impregnado
Ebonita
Fibra
Cartón
Const.
Rigidez Dieléctrica
Dieléctrica
(Volts/cm)
(k)
1.0006
30.000
2.7
11.800
118.000-708.000
3.5-5.5
197.000-510.000
34.000
Observaciones
30 KV/cm
Espesor e=0.2mm
Espesor e=0.178mm
34.000
Espesor e=0.178mm
1.9-3.5
2.0
7.5
670.000-1.470.000
59.000-98.000
Espesor hasta 0.5mm
Cartón Barnizado
2.9
118.000
Vidrio
Mica
Mica moldeada
5.5-10
2.5-6
2.5-6
59.000-118.000
395.000-980.000
354.000
Aceite para Transf.
2.5
Vacío
1.0
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88.000-98.000
A 100ºC hervido en
aceite para transform.
Medido entre discos de
diám.1.27cm
separados 0,5cm
Medido entre esferas
de diámetro 1.27cm
separadas 38mm.
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Gases
Las características generales de los gases son conocidas. Sabemos que ocupan
todo el espacio que ofrece el recipiente que lo contiene y ejercen una presión uniforme
sobre todas las paredes del mismo. (Principio de Pascal). La materia en estado gaseoso
presenta además que sus partículas (átomos, moléculas o iones) se encuentran muy
distanciados entre sí y también con gran libertad y movilidad, la cual se acrecienta con la
temperatura.
Los gases, se mezclan entre sí en cualquier proporción a diferencia de lo que
ocurre con los líquidos.
Aislantes Gaseosos
En los gases, en condiciones normales, el número de iones por metro cúbico es
mucho más bajo que para el estado sólido. Esto nos dice que en estado normal, mientras
no estén afectados por un agente ionizador, se comportan como un no conductor perfecto
ideal. En condiciones de elevada presión o en el otro extremo, con muy baja presión
(elevado vacío), las corrientes de pérdida son sumamente pequeñas, prácticamente
inexistentes y por ello tg δ es del orden de 1x10-8 mientras que en los sólidos y en los
líquidos varía entre 1x10-5 hasta 1x10-2.
En estas condiciones el diagrama de potencia, muestra una potencia activa
(Potencia de pérdida Pp) prácticamente nula y un ángulo de fase θ ≈ 90º y su
complemento δ es prácticamente 0º.
Los gases bajo alta presión o elevado vacío, pueden tener rigidez dieléctrica
superior a la de algunos líquidos y sólidos, pero para ello requieren un campo eléctrico
uniforme entre los electrodos y sobre todo gran pureza, deben estar secos, de lo contrario
se pierden esas ventajas.
La presencia de humedad en suspensión, partículas extrañas o iones, favorece y
aumenta las pérdidas, consecuentemente, reducen la rigidez dieléctrica del gas.
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La constante dieléctrica
A temperatura y presión normal las constantes dieléctricas de los gases son
sustancialmente las mismas que la del vacío perfecto, al que se le asigna el valor ko = 1.
En la práctica, los gases tienen constante dieléctrica prácticamente igual a la unidad, a lo
sumo pueden exceder ese valor un 1%.
La constante dieléctrica, no es afectada por la presencia de campos eléctricos, ni
magnéticos, ni por la frecuencia. Sólo la afectan muy ligeramente la temperatura y la
presión, pero su efecto no es significativo a los fines prácticos.
Ruptura dieléctrica de los gases
La descarga se produce de diferentes maneras, denominadas generalmente efecto
corona. No es fácil separar o establecer una diferencia neta entre las distintas formas de
descarga, porque muchas veces una forma inicial da lugar seguidamente a otras, como
ocurre por ejemplo con una chispa, que luego se transforma y continúa como un arco, o
una corona que luego se extiende y termina como una descarga completa. La forma,
permanencia y culminación de la descarga dependen de las condiciones presentes en el
momento, de la magnitud de la tensión y de la energía disponible para que la descarga
disruptiva se mantenga.
Uso de los gases como aislantes
Los gases son muy utilizados como aislantes en numerosas aplicaciones, como
ser, distribución aérea y transmisión aérea con conductores desnudos. también en
conductos de barras desnudas, en tableros y en aparatos de maniobra tales como
seccionadores, interruptores y contactores en aire.
Más modernamente, no el aire sino otro gas, el hexafluoruro de azufre (SF6) tiene
importante aplicación como dieléctrico en interruptores, en transformadores de media y
alta tensión, también en instalaciones de distribución y en centros de mando y control
encapsulados de media tensión.
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En otros casos, la presencia de un gas, generalmente aire, en forma de capas o
láminas, formando parte de aislaciones compuestas (oclusiones), es altamente ventajosa
porque debido a su pequeña constante dieléctrica (k ≈ 1), queda sometido a un elevado
gradiente de tensión, superior al de otras partes de la aislación. En esas condiciones,
sobre todo en aplicaciones en media tensión, la capa gaseosa puede ionizarse y dar lugar
a la aparición de efluvios que constituyen así el punto más débil del aislamiento. Un
ejemplo típico es la presencia de láminas de aire entre la bobina y la canaleta del paquete
magnético que la contiene.
El aire
Es el principal dieléctrico gaseoso, por su abundancia es económico y de fácil
utilización en líneas de transmisión en AT, de distribución en MT y BT, en todos los casos
con conductores desnudos. También en conductos de barras, con barras de cobre o de
aluminio desnudas, al igual que en tableros para subestaciones en MT y BT. El aire es
también el dieléctrico en aparatos de apertura y cierre de circuitos, cuyos contactos no
operan sumergidos en un líquido aislante o en otro gas de iguales condiciones.
Principales características:
Rigidez dieléctrica: Aire seco, limpio a 25º C y 760 mmHg de presión, medidos entre
electrodos esféricos de 25,4 mm de diámetro, separados 1 cm, es de 21,9 kV/cm (valor
eficaz), valor pico de 31 kV/cm.
Densidad: a 0º C y 760 mmHg de presión d = 1,293 Kg/m3
Constante dieléctrica: 1,000576
Hexafluoruro de azufre (SF6)
De aplicación relativamente reciente, no es sin embargo un producto nuevo. Su
primitiva síntesis fue obtenida en Francia por los investigadores Moissan y Lebeau en
1890. Alrededor de ese tiempo, otro químico francés Berthelot, comprobó la gran
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estabilidad química de este gas cuando era sometido a la acción de una chispa eléctrica.
Esto prefiguró seguramente su futura aplicación en aparatos eléctricos.
Su primera aplicación fue en 1937, en USA, como aislante en cables. Con el
desarrollo de la industria nuclear en la década del 50, el SF6
empezó a usarse en
cantidades significativas. Su uso se extendió a transformadores y también como agente
de interrupción de arco en interruptores.
En la actualidad se lo utiliza en interruptores de MT y AT, llegando hasta 800 kV.
también en subestaciones blindadas (circuito cerrado presurizado) y en grandes
transformadores. Su empleo ha permitido reducir notoriamente las dimensiones tanto de
las subestaciones como de los interruptores.
Su características generales son:
Es un gas incoloro, no inflamable, no tóxico y de gran estabilidad química (reacción
muy lenta). Por efecto del arco eléctrico al ionizarse puede descomponerse dando lugar a
estructuras más simples como por ejemplo F o SF que son tóxicas, pero que también
tienen rápida tendencia a recombinarse (de-ionización). Este proceso incluso se acelera
utilizando ciertas sustancias absorbentes.
•
Rigidez dieléctrica:
7,5 kV/mm
•
Densidad:
6,602 Kg/m3
•
Temp. Crítica:
45,58º C
•
Constante dieléctrica: k = 1,00191
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Líquidos
Todos los líquidos se caracterizan por ser prácticamente incompresibles, (no se
deforman con la presión), y no ofrecen resistencia a la tracción ni al corte (tensiones
tangenciales).
Ocupan un volumen determinado adaptando la forma del recipiente que los contiene.
No se mezclan entre sí por diferencia de densidades, y cuando forman soluciones,
contrariamente a lo que ocurre con los gases, no lo hacen en cualquier proporción.
Aislantes líquidos
Desde el punto de vista eléctrico en general son conductores, particularmente lo
son las soluciones salinas y las soluciones ácidas. Son aislantes los aceites (animales,
vegetales y minerales), también ciertos líquidos sintéticos tales como los askareles y los
fluidos de siliconas.
Los líquidos aislantes se caracterizan porque cuando descargan (o alcanzan la tensión
de disrupción), al término del arco en un tiempo relativamente breve, recuperan su
condición dieléctrica, es decir se “auto regeneran”. A diferencia de lo que ocurre con los
gases, los líquidos requieren un tiempo mayor para la auto regeneración, y además esa
capacidad de recomponer sus características dieléctricas no es indefinida porque en cada
arco, el dieléctrico se va dañando dado que emite vapores y gases que van eliminando
componentes volátiles y además, la elevada temperatura del arco eléctrico, favorece la
producción de reacciones químicas entre sus propios componentes y eventualmente con
componentes de los electrodos y/o del recipiente contenedor.
Luego lo que queda es algo ligeramente distinto al contenido original; aparecen
partículas carbonosas, agua, componentes ácidos, que a su vez originan otras reacciones
y sedimentos. Es por ello que los dieléctricos líquidos requieren un control periódico de
sus propiedades dieléctricas y de acuerdo con los resultados se debe proceder a su
tratamiento de recuperación o a su descarte.
Excluidos los barnices y esmaltes que se aplican en estado líquido (debemos
considerarlos como aislantes sólidos), los aislantes líquidos se utilizan como dieléctricos
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propiamente dichos y paralelamente como vehículos que ayudan a evacuar el calor,
transportándolos hacia la superficie de los contenedores de equipos y aparatos eléctricos
tales como transformadores, interruptores en gran volumen de aceite, contactores,
resistencias y reóstatos de arranque, todos en baño de aceite. El calor se produce por la
circulación de corriente en conductores (efecto Joule), por las pérdidas magnéticas en los
núcleos (pérdidas en el hierro) y por el arco eléctrico. Se usan entonces como dieléctricos
que cumplen una función aislante-refrigerante.
En los interruptores, en la cámara de arco, que es donde se produce la apertura y
cierre de los contactos, el dieléctrico líquido actúa siempre como un aislante y como un
medio que contribuye a enfriar el arco y a interrumpirlo; generalmente actuando como un
chorro transversal que afecta a la corriente de electrones que alimenta dicho arco. Para
ello cada fabricante diseña la cámara de arco de modo de lograr ese efecto dinámico del
líquido aislante, aprovechando el movimiento del contacto móvil y creando una acción de
bombeo.
Distinguimos tres tipos de líquidos dieléctricos en uso: Aceites, Hidrocarburos clorados
(askareles) y fluidos de siliconas.
Aceites:
Pueden ser de distinto origen:
•
Origen animal: generalmente aceites de pescados, prácticamente ya no se usan.
•
Origen vegetal: el principal es el aceite de ricino. Aún se utiliza para impregnar
capacitores debido a su buena constante dieléctrica.
•
Origen mineral: la casi totalidad de los aceites aislantes en uso son de origen
mineral y provienen de la destilación de petróleo.
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Líquidos aislantes sintéticos (askareles)
Existen líquidos aislantes, mezclas de hidrocarburos clorados que tiene rigidez
dieléctrica superior a la de los aceites minerales y que poseen además notorias ventajas:
•
No son inflamables
•
No emiten gases y/o vapores explosivos, aún bajo la presencia del arco
eléctrico.
Tienen peso específico bastante elevado γ = 1,6 y si bien emiten vapores no
explosivos, ni tóxicos, no conviene que se difundan en el ambiente por ser desagradables.
Esto se resuelve con una buena ventilación del local, ya que fundamentalmente se usan
en equipos para uso interior debido a su propiedad no inflamable.
Sus principales aplicaciones son: en fabricación de capacitores por su mayor rigidez
dieléctrica y mayor constante dieléctrica, en transformadores por ser no inflamables, no
forman sedimentos y por ser resistentes a la oxidación.
Además de mayor rigidez dieléctrica que los aceites, tienen similar coeficiente de
transmisión de calor. Contrariamente a los aceites, los askareles poseen una cierta
actividad disolvente sobre la mayor parte de las resinas de impregnación, de modo que es
necesario fabricar los bobinados, especialmente para éstos aislantes líquidos.
Pueden conducir a una reducción del tamaño de la cuba, comparado con los que usan
aceites minerales, y dada su alta densidad, mayor que 1, el agua que por condensación
pudiera formarse, en lugar de ocupar el fondo de la cuba, flota sobre la superficie, por
cuya razón, a la inversa de lo que ocurre en los transformadores en aceite, la cuba debe
tener un grifo para extracción de muestras en la parte superior.
Los askareles cuando quedan sometidos a la acción del arco eléctrico, desprenden
gases que en un 97 a 99% son de ácido clorhídrico, algo de nitrógeno, anhídrido
carbónico, monóxido de carbono y oxígeno. Esto no es venenoso, inflamable, ni
explosivo, pero no es aconsejable que se difundan en el ambiente. No producen fosgeno
(cloruro de carbonilo) gas sumamente tóxico (usado en la primera guerra mundial).
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Sólidos
Incluye los que en condiciones normales de presión y temperatura, son pastosos o
plásticos, además de los netamente sólidos. La variedad es muy extensa y los
analizaremos en sus principales ejemplares.
Consideraciones generales de utilización
Un material aislante, para usarlo en una máquina eléctrica debe satisfacer tres tipos de
exigencias:
•
Mecánicas
•
Dieléctricas
•
Térmicas
En efecto, existen esfuerzos mecánicos que se originan por la colocación de aislantes
en los devanados, así como por la diferente dilatación de los conductores y de los
soportes metálicos con la temperatura.
Existen desde luego esfuerzos eléctricos originados por los gradientes de potencial
existentes en las máquinas, los que deben ser soportados por el dieléctrico utilizado.
Finalmente existen esfuerzos térmicos originados por el calentamiento que se produce en
las distintas partes de la máquina, como consecuencia de las pérdidas en el hierro y en el
cobre.
En general, la falla de un aislante no se produce bruscamente por perforación
inmediata al llegar a cierta temperatura crítica, sino por el deterioro mecánico en el
tiempo, o sea, existe una relación entre la temperatura y el tiempo durante el cual el
aislante esta sometido a ella. Ambos factores: tiempo – temperatura tienden a disminuir la
resistencia mecánica de las sustancias orgánicas haciéndolas más quebradizas y
eventualmente provocan su desintegración por vibraciones, roces y esfuerzos mecánicos
importantes. Las tensiones mecánicas y los esfuerzos por dilatación imponen limitaciones
a las temperaturas de uno de los aislantes, particularmente en grandes máquinas, para
protección de los mismos. La vida de un aislante depende además de su acceso
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(contacto) al oxigeno (oxidación), humedad y suciedad depositada sobre él, (desde luego
incluye elementos que pueden actuar atacando directamente al aislante).
La duración de un aislante, es también función del tiempo de trabajo y de la carga o
régimen que soporta. Recordemos que el deterioro crece mucho con la temperatura y
ésta es función de la carga.
Por este motivo se ha establecido un criterio de clasificación térmica, asignando límites
de temperatura admisible para los diversos tipos de aislantes, a partir de una temperatura
ambiente de 40º C, lo que a su vez define para cada material la sobre temperatura
máxima que acepta, de modo de asegurarle una vida media razonable.
En esto hay consideraciones de índole económica como el costo inicial, el
mantenimiento, la vida útil, la posibilidad de obsolencia del equipo, etc. Sobre estas
bases, se ha hecho una clasificación, que es internacional y que casi todos los institutos
de racionalización aceptan y es la siguiente:
Clase
Temperatura máxima (º C)
Y
A
E
B
F
H
C
90
105
120
130
155
180
>180
Máxima sobretemp.
Admisible (ºC)
50
65
80
90
115
140
--
Como se ve, cada clase admite una temperatura máxima de ejercicio para el aislante y
considerando una temperatura ambiente de trabajo de 40ºC, resulta una sobre
temperatura admisible para el aislante en el punto más caliente de la máquina.
Clasificación:
Clase Y: Son materiales no impregnados, ni sumergidos en un dieléctrico líquido o
sustancias aglomerantes. Los más comunes son: algodón, seda natural, cartón, papel,
también pertenecen a esta clase los polietilenos, poliestirenos y resinas.
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Clase A: Entran en esta clasificación los materiales de la clase Y pero cuando están
impregnados o sumergidos en un dieléctrico líquido (aceite).
Clase E: Algodón, lino, seda natural, papel, impregnados en líquidos dieléctricos a
base de resinas melamínicas, fenólicas y fenolfulfural. Esmaltes para alambres a base de
resinas poliuretánicas (Pertinax). Mica-papel.
Clase B: Mica, amianto, fibras de vidrio y materiales inorgánicas o similares, en
formas construidas con ligantes de sustancias de las clases superiores (pueden intervenir
en pequeñas cantidades sustancias de Clase A, sólo con fines estructurales).
Clase F: Compuestos de mica y amianto sin soporte y tejidos de vidrio. Compuestos
de mica con soporte inorgánico. Fibras de vidrio y amianto barnizadas o impregnadas
durante el proceso de bobinado. Estatrificados epoxídicos con soporte inorgánico.
Aglomerantes, resinas alkidicas, epóxicas, polyésteres.
Clase H: Fibras de vidrio, amianto, mica y otras sustancias inorgánicas combinadas
con aglomerantes a base de resinas de siliconas. Esmalte para conductores a base de
siliconas. Kapton H, películas de poliamida.
Clase C: Vidrio, mica, cuarzo, porcelana, materiales cerámicos. Se pueden usar
ligantes inorgánicos tales como el vidrio o cemento. Sus temperaturas máximas de
funcionamiento pueden estar limitadas por las propiedades físicas, químicas o eléctricas a
esas temperaturas. Incluye tejidos de amianto, teflón y aglomerados de mica.
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Barnices
Son líquidos de poca viscosidad, constituidos generalmente por una solución de
materias resinosas en un aceite o en un líquido volátil; esta solución al extenderse sobre
una superficie se seca por evaporación o por acción química (oxidación), dejando una
película lustrosa, ligeramente dura, resistente al aire y la humedad. No tiene pigmentos.
En el caso de que lleven pigmentos éstos se denominan “esmaltes”.
Función de los barnices
Tienen varias funciones simultáneamente:
a) Protección mecánica de los aislantes fibrosos, tales como el vidrio, amianto, algodón o
tejidos.
b) Impedir la absorción de humedad o reducirla notoriamente.
c) Sirven como ligantes o elementos de unión en los aislantes estratificados o en capas,
dándoles además textura uniforme y superficie pulida, pero además al llenar los
intersticios eliminan el aire.
Siliconas:
Son polímeros de oxido organosilicon ; estables al calor y se los puede obtener como :
líquidos , resinas, grasas y como elastómeros.
En estado líquido son prácticamente incoloras. Su viscosidad varía muy poco dentro
de un amplio rango de temperaturas y no son volátiles hasta los 205 °C.
Son químicamente inertes, no corroen los metales, mojan las superficies de: vidrio,
porcelana, cerámicas y metálicas en cuyo caso las hacen repelentes al agua.
Las siliconas son insolubles al agua , pero solubles en disolventes orgánicos.
También son altamente resistentes al oxígeno, a los ácidos minerales y a las
soluciones salinas corrosivas. No ejercen acción disolvente sobre el caucho ni sobre los
plásticos orgánicos.
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Además tienen una relativamente baja constante dieléctrica y también un bajo factor
de potencia dentro de un amplio rango de frecuencias.
Por sus propiedades se los suele usar en:
Desmoldantes: Se utilizan como desmoldantes por su incompatibilidad con las materias
orgánicas que hace que tengan una gran anti-adherencia.
Materiales para la construcción : Por su característica de repulsión al agua.
Pinturas: Aporta a la pintura la propiedad hidrófuga y además se usa por su característica
de antiespumante. También aumenta la resistencia al calor y al envejecimiento de las
pinturas.
Artículos de limpieza y cosméticos: Acrecientan el brillo, son fáciles de aplicar, dan
protección persistente.
Polvos para Moldeo: se utilizan como polvos que contienen una goma de silicona y se
los moldea para la obtención de piezas variadas , tales como : juntas, amortiguadores,
membranas , etc.
Aislantes eléctricos: Si bien sus propiedades mecánicas son medianas , superan a la de
los materiales obtenidos de productos orgánicos cuando se los emplean a elevadas
temperaturas.
Los materiales eléctricos obtenidos de siliconas presentan :
•
Excelente estabilidad térmica entre -80 y 300 °C.
•
Resistencia al envejecimiento: oxígeno, ozono, atmósfera húmeda , etc.
•
Conservación de las propiedades eléctricas entre -80 y 300 °C.
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Los aislantes que se fabrican son:
•
Aislantes rígidos: Tejidos de amianto impregnados, micanitas o samicanitas,
estratificados , etc.
•
Aislantes Flexibles: Cintas y trenzas de vidrio impregnadas con resinas de siliconas,
cintas de mica y de samica , cintas de vidrio y trenzas de vidrio recubiertas en
elastómeros.
•
Resinas de impregnación: Aceite dieléctrico , barnices y esmaltes de siliconas.
Valores Característicos de las siliconas :
•
Densidad = 0,76 a 0,97 (25°C)
•
Resistividad volumétrica= 1x1011 ohm.cm ( 25°C-50 Hz)
•
Rigidez dieléctrica ---> k=2,83 f= 1 Mhz
•
Factor de potencia = 0,0002
Temp.
(°C)
Resistividad. vol Resistiv.Sup
(Ohm.cm)
(ohm)
Cte.Dielectrica K
102 Hz
106Hz
Factor de Pot.
102 Hz 106Hz
25
7,94E13
2,84E13
2,98
2,96
0,0066 0,006
50
7,94E13
2,82E13
2,85
2,85
0,0069 0,0066
100
7,94E13
2,82E13
2,67
2,67
0,0059 0,0069
150
0,357E13
2,82E13
2,53
2,52
0,0047 0,0068
200
0,636E13
2,83E13
250
0,38E12
1,13E13
Fluidos de siliconas como dieléctrico para transformadores:
La necesidad de reemplazar a los Askareles en los transformadores , (por razones
ecológicas), condujo al empleo y desarrollo de estos líquidos aislantes.
El compuesto de siliconas que se emplea es el polidimetilsiloxano ; derivado ideal para
esa aplicación.
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Tiene en general las siguientes características:
•
Homogeneidad química
•
Reducido número de componentes volátiles.
•
Gran estabilidad térmica.
•
Gran inercia química (no reacciona ni ataca otras sustancias)
•
Es resistente a la oxidación y compatible con los aislantes convencionales a la
temperatura de trabajo de los transformadores.
Tabla comparativa:
Propiedad
Aceite Mineral
Askarel
Fluido de siliconas
Peso especifico 25°C
0,88
1,5
0,96
Punto de escurrimiento °C
-40
-45
-55
Punto de combustión °C
165
-------
360
Resis.vol (ohm.cm)
8,5 E15
2 E12
1 E15
Cte. Dieléctrica a 25°C
2,2
Punto de inflamación °C
150
1
195
306
Sometido a ensayo de estabilidad térmica , el aceite mineral tiene una intensa
volatilización y oxidación, pierde 75% en peso y deja un residuo negro como sedimento.
En cambio el fluido de siliconas permanece claro-incoloro , no produce sedimentos
indeseables y por consiguiente mantiene prácticamente inalteradas sus características
eléctricas. Con solo 0,14% de perdida en peso.
Clasificación de Peligro de incendio : ( Según normas U:L) (Escala 0-100)
Agua -------- 0
Fluido de siliconas -------------- 4 a 5
Askareles---- 2 a 3
Aceite mineral
Año 2002
--------------10 a 20
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Tabla con datos de un aceite sintético de la firma DSI para
transformadores:
Characteristic & ASTM method
Alpha-1 fluid
Transformer Oil
Fire Point, D92, C.
308
165
Viscosity, D88, cSt. @ 100 oC
8.48
3
Density @ 20 oC, g/cc
0.83
0.86
Pour Point, D97, oC.
-54
-40
Appearance
clear
yellow
Dielectric Breakdown, D1816, kV
58
56
Dissipation Factor, 100C, D924, %
0.01
0.01
Relative Permittivity
2.1
2.2
Acid Value, D664, mg KOH/g
0.01
0.02
Biodegradability (per BOD tests)
yes
Some
Película de poliamida: ( KAPTON )
Su nombre comercial es Kapton , y es una Poliamida resultante de la reacción de
policondensación entre un ácido aromático tetrabásico y una dramina aromática.
Existen dos tipos de Kapton : Kapton H y Kapton F.
• Kapton H:
Notable por su capacidad para mantener excelentes propiedades físicas y eléctricas
en un amplio rango de temperaturas. Ha sido usado exitosamente en aplicaciones donde
la temperatura varia entre -269°C y hasta 400 °C.
Comienza a carbonizar a 800°C, no se funde, y es resistente a todos los solventes
orgánicos conocidos.
Tiene excelentes propiedades dieléctricas, y resistencia química.
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Sus aplicaciones típicas: Encintado de alambres y cables, aislación de canaletas en
motores, aislación de bobinas contra masa, transformadores, capacitores, circuitos
impresos flexibles, cintas sensitivas magnéticas, etc.
Propiedad
Valor
Densidad
Punto de fusión
Inflamabilidad
Contracción : 250°C
300°C
400°C
Envejecimiento térmico:
250°C
275
300
400
Resistencia a la Tracción
25°C
200°C
Alargamiento
25°C
200°C
Rigidez Dieléctrica :
25°C
200°C
Cte dieléctrica a :
25°C
200°C
Factor de Disipación:
25°C
200°C
Método de Ensayo
1,42 g/cm3
No tiene
Auto extinguible
0,3%
0,5%
3,5%
ASTM D-1505-571
ASTM D-1204
8 años
1 año
3 meses
12 horas
Tiempo para
Alcanzar el 1% de
alargamiento
25.000 psi
17.000 psi
ASTM D-882-61T
70%
90%
ASTM D-882-61T
7.000 volts
5.600 volts
ASTM D-149-61T
3,5
3,0
ASTM D-150-59T
0,003
0,002
ASTM D-150-59T
• Kapton F:
Es una versión soldable del Kapton H.
Debido a que el Kapton H no tiene punto de fusión, aplicando a la lámina de Kapton H una
película de resina fluorcarbón (teflón) en ambos espesores , se logra así una superficie
sellable mediante temperatura.
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La capa de teflón no solo agrega al Kapton la propiedad de soldable , además mejora
la resistencia química , reduce la permeabilidad a la humedad y la descomposición por
oxidación.
Aplicaciones Típicas: Alambres y cables para alta temperatura, circuitos impresos, tubos
y laminados.
Densidad
Kapton F
Alargamiento
Rigidez dieléctrica
Constante dieléctrica
1,67 g/cm3
25 ºC %75
200 ºC %85
4200 volts/mm
3
Película de Poliéster:
Se produce como películas continuas en variados espesores que van desde milésimas
de milímetro hasta décimas de milimetro, y por su interesante combinación de
propiedades físicas , eléctricas y químicas tiene numerosas aplicaciones.
Sus propiedades son :
Propiedades Mecánicas: Tiene elevada resistencia a la tracción y al impacto. También
tiene excelente resistencia a la flexión y a la abrasión.
Propiedades químicas: No contiene plastificantes ni otros aditivos de ningún tipo y
presenta muy bajo coeficiente de absorción de humedad. Conserva su estabilidad
dimensional y sus propiedades dentro de un amplio rango de humedad y de temperaturas.
Tiene excelente resistencia a los aceites, grasas y solventes industriales. También tiene
excelente resistencia a los ácidos fuertes.
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Tabla de características
Propiedad
Resistencia a la tracción
Alargamiento de Rotura
Valor
1190 a 1650 Kg/cm2
70%
Resistencia de plegado
20.000 ciclos
Temperatura de fusión
260°C
Rigidez dieléctrica
Cte Dieléctrica a 25°C
60Hz
1khz
1Mhz
4.000 volts a 25°C y 60 Hz.
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3,3
3,25
3,00
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Porcelana
Es un material aislante sólido, de amplia aplicación en la industria. Por su resistencia
térmica esta clasificado dentro la clase C, es decir apto para trabajar a temperaturas
mayores de 180°C. Por lo general están en el entorno de 200°C a 220°C.
Básicamente una porcelana esta compuesta por CAOLIN, arcilla de la china
y
feldespato.
El feldespato es una sustancia fusible, que actúa entonces, como fundente de otros
componentes y de ligante de todas las partículas que intervienen. El CAOLIN es infusible,
o requiere muy altas temperaturas. Según sea la proporción de caolín y de feldespato que
se utilice, la porcelana que se obtiene será más o menos fusible.
Para porcelanas de uso eléctrico, en general se agrega Cuarzo a los dos componentes
antes mencionados, siendo la proporción de mezcla más usada la siguiente :
CAOLIN 50 % ; Feldespato + cuarzo 50%
Las porcelanas aptas para resistir altas temperaturas se obtienen sustituyendo
parcialmente el feldespato por otros minerales tales como compuestos de berilio , circonio
, etc.
Los componentes utilizados se pulverizan finamente y se mezclan en un medio
húmedo. El material mezclado, generalmente con bastante agua, se reduce luego a un
elemento pastoso. En esas condiciones la mezcla se puede moldear dándole la forma
deseada, luego se la deja secar, se la recubre con el barniz de terminación y se la hornea
a elevadas temperaturas.
Durante el horneado se funde el feldespato y actúa como un ligante que liga todos los
componentes formando una masa dura , densa y de naturaleza vítrea. La temperatura de
horneado actúa como control de la porosidad y de la naturaleza de la porcelana
resultante.
A medida que la temperatura es mayor , la masa es más vítrea y menos porosa.
Cuando la temperatura es elevada la arcilla también funde parcialmente y se vitrifica.
Las porcelanas para aislaciones de alta tensión, son usualmente porcelanas de alta
temperatura. Estas porcelanas funden a 1465°C , no son porosas y son duras.
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Características de las porcelanas
Peso especifico
2,2 a 2,4 g/cm3
Resistencia a la tracción
3 Kg/mm2
Resistencia a la compresión
35 a 45 Kg/mm2
Cte Dieléctrica
4,5 a 6,5
Resistividad volumétrica
1E11 a 1E15 Ω.cm a 20°C
Factor de disipación
0,017 a 50 Hz y 50°C
Métodos de Fabricación :
Existen tres métodos conocidos para la producción de piezas de porcelana:
Por vía húmeda , por colada y por vía seca. En todos los casos las materias primas ,
arcilla , feldespato y cuarzo, se muelen muy finamente en molinos de bolas. Estos molinos
son grandes cilindros rotativos, en cuyo interior se introduce el material junto con bolas de
acero , que con la rotación van produciendo una subdivisión en partículas cada vez
menores.
Por vía húmeda: La masa pastosa se corta en trozos o panes con un cierto exceso
para tener en cuenta la contracción que se produce durante el horneado , que es del
orden del 15%.
El moldeo se realiza utilizando moldes de yeso que por su naturaleza porosa absorben
mucha agua.
Las superficies interiores se terminan a mano utilizando plantillas y llevando la pieza a
un torno de alfarero , y muchas veces se moldea la pieza entera. Por este método se
obtiene en gran escala piezas de porcelana para alta tensión.
El proceso por vía húmeda se utiliza también para el moldeo a presión.
Por colada: Las piezas que tienen formas complejas, incluso partes huecas se
preparan por este método. En este caso el material se vierte en moldes de yeso, en
estado líquido, de modo que pueda ocupar todos los rincones del molde.
Los moldes suelen hacerse en varias partes. Como en el caso anterior, luego del
desmolde se produce el secado y posterior horneado.
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Por vía seca: La preparación de la mezcla es la misma que para los procesos
anteriores. Luego del filtrado-secado , las “tortas” obtenidas se secan y se trituran. Luego
se humedece el triturado y se pulveriza. En este proceso se forman gránulos que son los
que se utilizan para cargar los moldes y moldear a presión. Esto permite el moldeo de
formas más o menos complicadas que luego se secan u hornean. Este tipo de porcelanas
no son útiles para alta tensión por tener poros y no garantizar la ausencia fisuras. Por eso
sólo se las pueden utilizar para bajas tensiones
Luego del moldeo las piezas son sometidas a un cuidadoso proceso de secado antes
del horneado. Esta operación de secado es esencial para el resultado final del producto.
Luego se procede al horneado, existen dos técnicas a emplear :
Cocción en etapas: Es el más antiguo . El horno es cilíndrico y de gran diámetro , y
tiene a su alrededor una serie de hogares que generan los gases calientes. En el nivel
más bajo se logran temperaturas de hasta 1500°C. Cuando se emplea este instalación las
piezas se introducen en recipientes cerrados para no recibir los gases calientes
directamente. Luego de esta primera cocción se retiran las piezas y se las esmalta. Luego
son introducidas nuevamente en el horno, pero esta vez en la parte inferior donde la
temperatura es más elevada. Y allí se produce la cocción final. Para terminar, las piezas
se dejan enfriar lentamente.
Cocción en horno continuo: Es un proceso más moderno, en este caso las piezas
son introducidas luego de secadas, en hornos de gran longitud, de más de 100 m de
recorrido. Ingresan a una zona fría, y a medida que se desplazan van encontrando zonas
cada vez más calientes hasta los 1300°C. En el resto del recorrido la temperatura es
decreciente hasta los 60°C. En este tipo de horno las piezas ya ingresan con el esmalte.
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Plásticos
Plásticos orgánicos:
Son materiales relativamente nuevos usados en la construcción de piezas. Su nombre
deriva de su aspecto en una cierta etapa de la fabricación, como una masa plástica, que
permite ser utilizada como un fluido viscoso inducido por calor o presión.
Con relación a los compuestos orgánicos básicos estos compuestos que en términos
generales se los denomina polímeros son sustancias de muy elevado peso molecular, que
en muchos casos se asemejan a las resinas naturales, con alta viscosidad, que no tienen
punto de fusión determinado y que se van reblandeciendo cuando se las calienta.
Los plásticos se caracterizan por su alta inercia química, que hace que sean
resistentes a la acción de los ácidos, bases, solventes, agentes atmosféricos, etc.
También tienen elevada resistencia mecánica, buena elasticidad, son fáciles de teñir, y
además son buenos aislantes.
Un plástico puede contener un número variado de componentes que incluyen: resinas,
pigmentos, plastificantes, lubricantes, solventes y catalizadores.
Características Generales de los Plásticos:
Los plásticos se caracterizan por una relación resistencia/densidad alta, unas
propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a
los ácidos, álcalis y disolventes. Las enormes moléculas de las que están compuestos
pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico. Las
moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras
que las entrecruzadas son termoendurecibles (se endurecen con el calor).
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Conceptos
¿Qué son los polímeros?
La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas
gigantes llamadas polímeros.
Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas
denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diferentes.
Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones, otras, globos, etc. Algunas se
asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.
La mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales
sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.
Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de
tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una
muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se
atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química
del polímero y pueden ser de varias clases.
Tipos De Polímeros
Concepto y clasificación:
Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia
cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso
molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es
rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de
polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de
monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámeros, pentámeros y
sucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado
de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo.
Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión “gran polímero”.
Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo
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peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la
misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y
policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo peso molecular y la
misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales
importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña
variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la
presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades
monómeras y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de
esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las
propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo
variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.
Procesos de polimerización
Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar
moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen
estructuras monómeras o en las condiciones experimentales de reacción.
La mayor parte de los polímeros orgánicos se obtiene por reacciones de condensación
o de adición. En la reacción de condensación, los monómeros se combinan con la
formación y pérdida de moléculas pequeñas, como agua, alcohol, etc. Por ejemplo, en la
formación de una poliamida.
En las reacciones de adición, varias unidades monoméricas se unen, en presencia de
un catalizador, como resultado de la reorganización de los enlaces C=C de cada una de
ellas. Por ejemplo, en la formación del polietileno.
El caucho natural, constituido por cadenas de poli-cis-isopreno, es un ejemplo de
polímero de adición formado por unidades de cis-isopreno o metil-1,3 butadieno. Otro
polímero natural del isopreno es el poli-trans-isopreno o gutapercha, el cual se utiliza para
recubrir cables submarinos, pelotas de golf, etcétera.
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La polimerización puede efectuarse por distintos métodos o Mecanismos:
•
Polimerización por adición
•
Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del doble
enlace, sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo).
•
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un
anillo, sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxido).
•
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un
doble enlace, con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del
tipo diazo).
•
Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo, con eliminación de
una parte de la molécula (polimerización del tipo aminocarboxianhidro).
•
Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno).
•
Polimerización por Condensación
•
Formación de poliésteres, poliamidas, poliésteres, polianhidros, etc., por eliminación
de agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como ácidos o glicoles, diaminas,
diésteres entre otros (polimerización del tipo poliésteres y poliamidas).
•
Formación de polihidrocarburos, por eliminación de halógenos o haluros de hidrógeno,
con ayuda de catalizadores metálicos o de haluros metálicos (poli tópico del tipo de
Friedel-Craffts y Ullmann).
•
Formación de polisulfuros o poli-polisulfuros, por eliminación de cloruro de sodio, con
haluros bifuncionales de alquilo o arilo y sulfuros alcalinos o polisulfuros alcalinos o por
oxidación de dimercaptanos (policondensación del tipo Thiokol).
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Tipos de Plásticos:
Termofijos: Son aquellos que sometidos a calentamiento no pueden, luego, ser
modificados.
Termoplásticos: Son los que vuelven a tomar consistencia plástica luego de haber
sido sometidos a un calentamiento, pudiendo volver a ser usados. Cuando enfrían
solidifican , de modo que el proceso es reversible.
En general los plásticos industriales que contienen resinas por condensación, son
termofijos. En cambio los que utilizan resinas obtenidas por polimeración de adición, son
termoplásticos.
Estos plásticos tienen consistencia sólida en frío , pero su estructura molecular es tal
que por acción del calor las moléculas deslizan unas respecto de las otras, el cuerpo se
ablanda y a medida que la temperatura crece va adquiriendo consistencia liquida.
Moldeo :
Aplicable tanto a termofijos como a termoplásticos , puede ser por compresión o por
expulsión.
Moldeo por compresión: La mezcla de resina y otros componentes, si los hay, se
introduce en un molde y se comprime. El molde puede tener o no calentamiento. Luego se
lo lleva a una calentador donde termina el proceso.
Moldeo por expulsión: La mezcla se hace pasar por acción de un pistón a través de
una matriz o molde que da la forma a la pieza.
Existe también un tercer método denominado por inyección , que esta limitado a las
resinas termoplásticas. Con este método las mezclas calientes son forzadas a pasar por
una boca de moldeo y allí se enfrían y conforman, saliendo del molde en forma de un
producto continuo.
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En la industria eléctrica, por sus propiedades entre las que se destacan su rigidez
dieléctrica, resistencia de aislación y adhesividad , las resinas plásticas tienen muy activa
participación en :
•
Preparación de barnices y esmaltes de impregnación y/o para aislar alambres y
planchuelas conductoras.
•
Impregnación mediante barnices de cintas , telas e hilos de diversos orígenes.
•
Como adhesivos-impregnantes para la fabricación de productos compuestos.
•
Para la fabricación de estratificados con base de papel o telas impregnadas en
resinas plásticas.
•
Para la obtención de componentes moldeados con o sin carga, bien sea a partir de
resinas en forma de polvo o líquidos. Tienen aplicación en la fabricación de
componentes para instalaciones eléctricas domiciliarias.
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Resinas Epoxy
Por vez primera en 1938 se observaron las excelentes características de las resinas
dentro de los plásticos que hasta ese momento se conocían. Estas resinas endurecían sin
desprender compuestos volátiles y daban productos finales de muy buenas propiedades
mecánicas. Desde entonces se han producido muchos avances, y muchas compañías las
producen en la actualidad.
Características químicas: Son productos de condensación de fenoles polivalentes con
epiclorhidrina. La mayoría resultan de la reacción de la epiclorhidrina con el bisfenol. Son
del tipo termofijo.
Características generales: Poseen una serie de características físicas y eléctricas que
las hacen altamente ventajosas para su empleo , como ser :
•
Su utilización es sencilla y de bajo costo.
•
El endurecimiento se produce por una reacción química sin desprender volátiles, esto
permite moldear con moldes abiertos.
•
Hay resinas que pueden endurecer a temperatura ambiente, y otras que requieren
algún calentamiento no muy elevado.
•
Tienen muy baja contracción al solidificarse, inferior a la de la mayoría de los plásticos.
Esto permite moldear piezas grandes en una sola operación.
•
Presentan muy buena adhesividad con los metales y muchos otros materiales, permite
el encapsulado de componentes para preservarlos de la suciedad y la humedad.
•
Tienen buena resistencia a la tracción, a la flexión y al impacto, como así también alta
resistencia a la compresión.
•
Tienen bajo factor de pérdidas eléctricas, alta rigidez dieléctrica, alta resistencia
especifica, ausencia de materiales volátiles, buena resistencia al envejecimiento
térmico, pequeña absorción de humedad ; etc.
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Las propiedades antes mencionadas junto con otras que les confieren los
endurecedores, los flexibilizadores, las cargas, los diluyentes, etc; permiten, todas ellas
combinadas, la aplicación de las resinas Epoxy en aplicaciones de baja tensión, Media
tensión y Alta tensión para producir:
• Piezas coladas: Aisladores soportes para uso interior y exterior , porta barras, placas
de bornes, pasa muros, encapsulado de barras, encapsulado de transformadores de
medida, etc.
• Encapsulado de conexiones: Empalme de cables, botellas terminales, cajas de
derivaciones, etc.
• Encapsulado de: Capacitores, o baterías de capacitores
• Elaboración de: estratificados de Vidrio-epoxy para circuitos impresos y otros
aplicaciones.
• Protección de componentes eléctricos por inmersión o por el método denominado
"lecho fluido".
•Impregnación de bobinados de máquinas.
• Producción de cilindros aislantes para polos interruptores de MT en pequeño
volumen de aceite.
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Vidrios
Es una sustancia amorfa, generalmente traslúcida y comunmente constituida por una
mezcla de silicatos y boratos. Se caracteriza porque en estado sólido es duro, quebradizo
en frío , tiene baja resistencia a la tracción y a la flexión, y a cierta temperatura se ablanda
y comienza a tornarse plástico y escurre como un líquido de alta viscosidad.
Este material es conocido por el hombre desde la antigüedad. Ya se producía en
Egipto 1400 años A.C.
La característica de sustancia amorfa , implica que a partir del estado líquido pastoso o
líquido de alta viscosidad, al enfriarse adquiere consistencia sin que sus átomos se
acomoden o se ordenen regularmente según una estructura definida que se reproduzca
en forma idéntica en todas las direcciones del espacio. Por el contrario el vidrio al
solidificar da lugar a uniones o enlaces irregulares, muchas veces fuertemente
deformadas.
Técnicamente entonces, se lo puede definir como un producto inorgánico de fusión,
enfriado hasta el estado sólido sin que presente o de lugar a cristalización. Desde el punto
de vista físico, se lo suele definir como un líquido sub-enfriado , ya que presenta las
características estructurales amorfas de los líquidos.
La masa fundida , tiene características plásticas que se regulan con la temperatura, lo
cual permite el moldeo. Siendo que al enfriarse solidifica conservando la forma y tiene
cierta dureza, esto ha permitido su empleo en la fabricación de numerosos objetos de muy
diverso uso en la vida cotidiana.
Propiedades Físico-Químicas:
Dependen de su composición química de origen, dado que ésta varía dentro de
amplios limites que se adecuan a los usos para los que se los destina.
Resistencia mecánica: La resistencia a la tracción es muy baja y varia entre 4 a 8
Kg/mm2.
Por la misma razón es baja también la resistencia a la flexión, de 8 a 16 Kg/mm2.
La resistencia a la compresión en cambio es mayor , variando entre 60 y 120 Kg/mm2.
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El vidrio se caracteriza por su fragilidad, es decir es un material quebradizo que no admite
deformaciones elásticas frente a un golpe.
No es fácil determinar la influencia de los distintos componentes sobre esta característica,
porque también inciden mucho la homogeneidad, la presencia de burbujas, las tensiones
internas, etc.
La dureza en cambio es interesante ; en la escala de dureza de MOHS, de 1 a 10, los
vidrios están ubicados entre el grado 5 al 7.
Resistencia Química: Tiene una estabilidad química bastante acentuada, esto significa
que soporta las agresiones químicas de otras sustancia como ser ácidos, agua, etc. No
obstante los ataques químicos, cuando se producen, se manifiestan afectando su
superficie, empañándolas o enturbiándolas.
En general resisten la presencia de casi todos los ácidos, excepto el ácido fluorhídrico,
que forma sales con los óxidos contenidos en el vidrio. Se puede afirmar que el vidrio es
uno de los materiales más resistentes a la corrosión y a ello se debe su empleo extendido
a la industria y en laboratorios.
El proceso de corrosión más corriente que se produce es por contacto con el agua. Un
contacto prolongado de una superficie vítrea con el agua produce, especialmente en
vidrios comunes, el arrastre de los álcalis libres del vidrio. La superficie empobrecida de
álcalis, da origen a una capa protectora para los futuros ataques.
Obtención del Vidrio:
Los vidrios se obtienen fundiendo juntos ciertos tipos de Sílice, que son arenas, con
óxidos alcalinos como óxido de sodio, óxido de potasio , etc.
Estos componentes bien limpios y finamente divididos son mezclados muy
íntimamente y horneados a temperaturas que oscilan entre 1400 a 1500°C.
Durante ese proceso los componentes con menor punto de fusión se licuan y actúan
como solventes de los otros componentes dando lugar a una serie de reacciones
químicas que originan otros compuestos, que a su vez, dan lugar o favorecen el desarrollo
de otras reacciones químicas.
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Todo esto , constituye un proceso químico bastante complejo y la secuencia exacta de
todas las reacciones químicas que se producen no siempre se pueden determinar.
Durante la fusión conviene que la temperatura se mantenga tan alta como sea posible,
alrededor de 1500 °C para permitir que en ese estado las burbujas de los gases que se
producen puedan salir sin dificultad de la masa liquida.
Para lograr la remoción total de gases, al vidrio líquido se lo suele mantener durante
un tiempo a su más elevada temperatura. Esta operación se la conoce como terminación
o refinación. También se suelen agregar aditivos para ayudar a la desgasificación. Estos
actúan manteniendo baja la viscosidad durante la fusión y generando gases en gran
volumen de modo que arrastren con ellos a las burbujas pequeñas.
La temperatura de moldeo del vidrio es bastante más baja que la máxima anterior, y es
del orden de 1000°C a 1300°C. Para ello se utilizan moldes o matrices donde se vuelca
una porción adecuada de vidrio en estado pastoso, que se prensa en algunas casos o se
sopla aire a presión en otros.
Los vidrios planos para puertas y ventanas , se obtienen moldeando un largo cilindro
por soplado, que todavía en caliente, se corta por una generatriz y se aplana sobre una
superficie lisa.
Todos los objetos de vidrio se recosen consistiendo el proceso en un calentamiento
uniforme a temperaturas inferiores a la de ablandamiento y luego permitiendo un
enfriamiento a velocidad controlada .
Vidrios templados:
El vidrio templado se utiliza en la fabricación de aisladores de suspensión para líneas
de alta tensión destinadas al transporte de energía eléctrica.
Esta aplicación se inició a comienzos del siglo XX , y el templado es en esencia un
tratamiento térmico que origina tensiones permanentes en la masa del vidrio y que se
contraponen a los esfuerzos que pueden originar las cargas exteriores.
Esto constituye un notable aporte de las propiedades mecánicas del vidrio que de otro
modo es un material frágil que rompe fácilmente.
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Si a ésta elevada resistencia mecánica se la asocia también a una elevada rigidez
dieléctrica resulta así uno de los mejores materiales para aisladores de alta tensión.
Aisladores de líneas de alta tensión: En el caso de aisladores de vidrio templado, el
arco eléctrico generado en una descarga pela y escama su superficie, pero no deja
defectos ocultos. Se ha comprobado que un nuevo equilibrio de las tensiones
de
templado se establece rápidamente y la nueva superficie creada no difiere mayormente
de la del aislador nuevo. Esto ha sido experimentado mediante ensayos variados de
choque térmico y mecánicos sobre aisladores que han soportado arcos de potencia.
Este comportamiento es muy ventajoso ya que reduce notoriamente el riesgo de
rotura del aislador.
Cuadro comparativo :
Propiedad
Unidad
Vidrio Templ.
Porcelana
Observ.
Rigidez dieléctrica
Kv/cm
250
160
25°C- 50Hz
15
4
Resistencia a la flexión Da.N/mm2
E
Coef. de dilatación
térmica
Permitividad relativa
Da.N/mm2
7200
10700
1/°C
9,1 E-6
6,5E-6
25 a 100°C
-
Factor de disipación
-
Resistividad
volumétrica
Ω.cm
7,3 - 7,6
60E-3
60E-3
60E-3
1E12
1E7
5-6
25E-3
------12E-3
1E13
1E8
Peso especifico
Gr/cm3
2,4
2,5--2,7
20°C 1Mhz
48---62 Hz
1KHz
1MHz
20°C
200°C
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Bibliografía
•
Física (Tercera Edición)
Paul A. Tipler – Reverté S. A.
•
Física
M. Alonso, E.J. Finn –Adison Wesley Iberoamericana
•
Física de los Materiales Dieléctricos
B.M. Taréiev – Editorial Mir Moscú
•
The Theory of Electrical Conduction and Break Down in Solid Dielectrics
J.J. O’Dwyer - Oxford Clareudon Press, 1973
•
Electrical Conduction in Solid Materials
J.P. Suchet – Oxford Pergamon Press, 1975
•
Apuntes de la Cátedra de Materiales Eléctricos de Universidad Tecnológica
Nacional.
•
Páginas de Internet
http://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtml
http://www. Alpha-1-oil.htm
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