¿Qué es la constante dieléctrica?
La constante dieléctrica es un valor asociado al material que se coloca entre las placas de un capacitor (o condensador – Figura 1) y que permite optimizar y aumentar su función. (Giancoli, 2006). Dieléctrico es sinónimo de aislante eléctrico, es decir, son materiales que no permiten el paso de corriente eléctrica.
Este valor es importante desde muchos aspectos, ya que para todos es común usar equipos eléctricos y electrónicos en nuestras casas, espacios recreativos, educativos o puestos de trabajo, pero seguramente desconocemos los complicados procesos que se dan en estos equipos para poder funcionar.
Por ejemplo, nuestros minicomponentes, televisores y aparatos de multimedia, utilizan corriente directa para sus funciones, pero las corrientes domésticas e industriales que llegan a nuestras casas y puestos de trabajo son corrientes alternas. ¿Cómo es esto posible?.
La respuesta a esta interrogante está dentro de los mismos equipos eléctricos y electrónicos: los capacitores (o condensadores). Estos componentes permiten, entre otras cosas, hacer posible la rectificación de la corriente alterna a corriente continua y su funcionalidad depende de la geometría o forma del capacitor y del material dieléctrico presente en su diseño.
Los materiales dieléctricos juegan un papel importante, ya que permiten acercar muchísimo las placas que componen el capacitor, sin que se toquen, y cubrir totalmente el espacio entre dichas placas con material dieléctrico para aumentar la funcionalidad de los capacitores.
Índice del artículo
- 1 Origen de la constante dieléctrica: los capacitores y los materiales dieléctricos
- 2 Modelos atómicos de los dieléctricos
- 3 Valores de la constante dieléctrica en algunos materiales
- 4 Algunas aplicaciones de los materiales dieléctricos
- 5 Referencias
El valor de esta constante es un resultado experimental, es decir, proviene de las experimentaciones realizadas con diferentes tipos de materiales aislantes y resultando en el mismo fenómeno: aumento de la funcionalidad o eficiencia de un capacitor.
Los capacitores tienen asociados una magnitud física denominada capacitancia “C” y que define la cantidad de carga eléctrica “Q” que puede almacenar un condensador al suministrarle cierta diferencia de potencial “∆V” (Ecuación 1).
Los experimentos han concluido en que al cubrir completamente el espacio entre las placas de un capacitor con un material dieléctrico, los capacitores aumentan su capacitancia por un factor κ, denominado “constante dieléctrica”. (Ecuación 2).
En la figura 3 se presenta una ilustración de una capacitor de capacitancia C de placas plano paralelas cargado y, en consecuencia, con un campo eléctrico uniforme dirigido hacia abajo entre sus placas.
En la parte superior de la figura está el capacitor con vacío entre sus placas (vacuum – de permitividad ∊0). Luego, en la parte inferior, se presenta el mismo capacitor con capacitancia C’ > C, con un dieléctrico entre sus placas (de permitividad ∊).
Figueroa (2005), enumera tres funciones para los materiales dieléctricos en los capacitores:
- Permiten una construcción rígida y compacta con una separación pequeña entre las placas conductoras.
- Permiten que se pueda aplicar un mayor voltaje sin que cause una descarga (el campo eléctrico de ruptura es mayor que el del aire)
- Aumenta la capacitancia del capacitor en un factor κ conocido como constante dieléctrica del material.
Así, el autor indica que, κ “se denomina constante dieléctrica del material y mide la respuesta de sus dipolos moleculares a un campo magnético externo”. Es decir, la constante dieléctrica es mayor cuanto mayor sea la polaridad de las moléculas del material.
Los materiales presentan, en general, arreglos moleculares específicos que dependen de las moléculas en sí mismas y los elementos que las constituyen en cada material. Entre los arreglos moleculares que intervienen en los procesos dieléctricos está el de las denominadas “moléculas polares” o polarizadas.
En las moléculas polares, existe una separación entre la posición media de las cargas negativas y la posición media de las cargas positivas, haciendo que tengan polos eléctricos.
Por ejemplo, la molécula de agua (Figura 4) tiene una polarización permanente porque el centro de la distribución de carga positiva está en el punto medio entre los átomos de hidrógeno. (Serway y Jewett, 2005).
Mientras que en la molécula del BeH2 (hidruro de berilio – Figura 5), molécula lineal, no se presenta ninguna polarización, puesto que el centro de distribución de cargas positivas (hidrógenos) se encuentra en el centro de distribución de cargas negativas (berilio), anulando cualquier polarización que pueda existir. Esta es una molécula no polar.
En el mismo orden de ideas, cuando un material dieléctrico se encuentra en presencia de un campo eléctrico E, las moléculas se alinearán en función del campo eléctrico, originando una densidad de carga superficial en las caras del dieléctrico que enfrentan a las placas del capacitor.
Debido a este fenómeno, el campo eléctrico dentro del dieléctrico es menor al campo eléctrico externo generado por el capacitor. En la siguiente ilustración (figura 6) se muestra un dieléctrico polarizado eléctricamente dentro de un capacitor de placas planoparalelas.
Es importante notar que este fenómeno resulta con mayor facilidad en los materiales polares que en los no polares, debido a la existencia de moléculas polarizadas que interactúan con mayor eficiencia en presencia del campo eléctrico. Aunque, la sola presencia del campo eléctrico provoca la polarización de las moléculas nopolares, derivando en el mismo fenómeno que con los materiales polares.
Dependiendo de la funcionalidad, economía y utilidad última de los capacitores, se utilizan materiales aislantes diferentes para optimizar su funcionamiento.
Materiales como el papel son muy económicos, aunque pueden fallar con altas temperaturas o al contacto con agua. Mientras que el hule, sigue siendo maleable pero más resistente. También tenemos la porcelana, que resiste altas temperaturas aunque no puede adaptarse a diferentes formas según se necesite.
A continuación se presenta una tabla donde se especifica la constante dieléctrica de algunos materiales, donde las constantes dieléctricas no tiene unidades (son adimensionales):
Tabla 1: Constantes dieléctricas de algunos materiales a temperatura ambiente.
Los materiales dieléctricos son importantes en la sociedad global con una amplia gama de aplicaciones, desde comunicaciones terrestres y satelitales que incluyen software de radio, GPS, monitoreo ambiental a través de satélites, entre otros. (Sebastian, 2010)
Además, Fiedziuszko y otros (2002) describen la importancia de los materiales dieléctricos para el desarrollo de la tecnología inalámbrica, incluso para la telefonía celular. En su publicación describen lo relevante de este tipo de materiales en la miniaturización de los equipos.
En este orden de ideas, la modernidad ha generado una gran demanda de materiales con constantes dieléctricas altas y bajas para el desarrollo de una vida tecnológica. Estos materiales son componentes esenciales para los dispositivos de internet en cuanto a las funciones de almacenamiento de datos, comunicaciones y el desempeño de las transmisiones de los datos. (Nalwa, 1999).
- Fiedziuszko, S. J., Hunter, I. C., Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, S. N., & Wakino, K. (2002). Dielectric materials, devices, and circuits. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 50(3), 706-720.
- Figueroa, D. (2001). Interacción Eléctrica. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García e Hijo, SRL.
- Giancoli, D. (2006). FÍSICA. Principio con aplicaciones. México: PEARSON EDUCACION.
- Nalwa, H. S. (Ed.). (1999). Handbook of low and high dielectric constant materials and their applications, two-volume set. Elsevier.
- Sebastian, M. T. (2010). Dielectric materials for wireless communication. Elsevier.
- Serway, R. & Jewett, J. (2005). Física para Ciencias e Ingeniería. México: International Thomson Editores.