Concepto de dieléctrico y constante dieléctrica

Concepto de dieléctrico y constante dieléctrica
Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a uncampo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos sonaislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Cuando un material dieléctrico se inserta entre las placas de un capacitor, la capacitancia de este aumenta. Si el dieléctrico llena por completo el espacio entre las placas, la capacitancia aumenta en un factor adimensional k, conocido como constante dieléctrica. Esta constante es una propiedad del material y varía de un material a otro.Es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad (la permitividad es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio) eléctrica del medio. El efecto de la constante dieléctrica se manifiesta en la capacidad total de un condensador eléctrico. Cuando entre los conductores cargados o paredes que lo forman se inserta unmaterial dieléctrico diferente del aire (cuya permitividad es prácticamente la del vacío) la capacidad de almacenamiento de la carga del condensador aumenta.
Es posible efectuar el siguiente experimento para ilustrar el efecto de un dieléctrico en un capacitor. Considere un capacitor de placas paralelas que sin un dieléctrico tiene carga Q0 y capacitancia C0. La diferencia de potencial en elcapacitor es ΔV0= Q0 / C0 . La figura 1.a ilustra esta situación. La diferencia de potencial se mide mediante un voltímetro. Advierta que no se muestra ninguna batería en la figura; además, debe suponer que no puede fluir carga a través de un voltímetro ideal. En consecuencia , no existe una trayectoria por la cual pueda fluir la carga y alterar la carga del capacitor. Si ahora se inserta undieléctrico entre las placas, como se muestra en la figura 1.b, el voltímetro indica que el voltaje entre las placas disminuye a un valor ΔV.Los voltajes con y sin dieléctrico se relacionan mediante el factor k del modo siguiente:
ΔV= ΔV0/k
Puesto que ΔV < ΔV0, se ve que k >1.
En vista de que la carga Q0 en el capacitor no cambia, se concluye que la capacitancia debe cambiar hacia el valor
C= Q0/ ΔV0=Q0/( ΔV0/k)= k Q0/ ΔV0
C=kC0
Es decir, la capacitancia aumenta en el factor k cuando el dieléctrico llena por completo la región entre las placas. Por ejemplo para un capacitor de placas paralelas se puede expresar su capacitancia cuando el capacitor esta lleno de un dieléctrico como:
C=(ke0A)/d
Siguiendo las ecuaciones anteriores parecería que la capacitancia podría hacerse muy grande mediantela reducción de la distancia entre las placas. En la practica el valor mas bajo de d esta limitado por la descarga eléctrica que puede ocurrir a través del medio dieléctrico que separa las placas. Para cualquier separación dada d, el máximo voltaje que puede aplicarse a un capacitor sin producir una descarga depende de la resistencia dieléctrica (campo eléctrico máximo ) del dielectrico.Si lamagnitud del campo eléctrico en el dieléctrico supera la resistencia dieléctrica, las propiedades aislantes se deterioran y el dieléctrico empieza a conducir. Los materiales aislantes tienen valores de k más grandes que la unidad y resistencias dieléctricas mayores que las del aire.
Un dieléctrico proporciona las siguientes ventajas:
Aumenta la capacitancia
Aumenta el voltaje de operación máximoPosible soporte mecánico entre las placas, lo cual permite que las placas estén muy juntas sin tocarse, de este modo d disminuye y C aumenta.





Un capacitor cargado a) antes y b) después de la inserción de un dieléctrico entre las placas. La capacitancia aumenta de C0 a kC0.
Tipos de dieléctricos
En los materiales dieléctricos o aislantes no existen electrones libres que se puedan...