Ruptura de un Dialectrico

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* 2 4 .5 Modelo molecular de la carga inducida

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Ruptura del dieléctrico
Ya se mencionó que cuando un material dieléctrico se somete a un campo eléctrico suficientemente intenso, tiene lugar la ruptura del dieléctrico y entonces el dieléctrico
se convierte en conductor (figura 24.17). Esto ocurre cuando el campo eléctrico es tan
intenso quearranca los electrones de sus moléculas y los lanza sobre otras moléculas,
con lo cual se liberan aún más electrones. Esta avalancha de carga en movimiento,
que forma una chispa o descarga de arco, suele iniciarse de forma repentina.
Debido a la ruptura del dieléctrico, los capacitores siempre tienen voltajes máximos nominales. Cuando un capacitor se somete a un voltaje excesivo se forma un arcoa través de la capa de dieléctrico, y lo quema o perfora. Este arco crea una
trayectoria conductora (un circuito corto) entre los conductores. Si la trayectoria conductora permanece después de haberse extinguido el arco, el dispositivo queda inutilizado de manera permanente en su función de capacitor.
La magnitud máxima de campo eléctrico a que puede someterse un material sin
que ocurra laruptura se denomina rigidez dieléctrica. Esta cantidad se ve afectada de
manera significativa por la temperatura, las impurezas, las pequeñas irregularidades en los electrodos metálicos y otros factores que son difíciles de controlar. Por
esta razón sólo pueden darse cifras aproximadas de las rigideces dieléctricas. La rigidez dieléctrica del aire seco es alrededor de 3 3 106 V>m. En la tabla 24.2se presentan valores de la rigidez dieléctrica de varios materiales aislantes comunes.
Observe que todos los valores son mucho mayores que el del aire. Por ejemplo, una
capa de policarbonato de 0.01 mm de espesor (el espesor práctico más pequeño)
tiene 10 veces la rigidez dieléctrica del aire y soporta un voltaje máximo cercano a
(3 3 107 V>m) (1 3 1025 m) 5 300 V.

24.17 Un campo eléctricomuy intenso
ocasionó la ruptura de la rigidez del
dieléctrico en un bloque de plexiglás.
El flujo de carga resultante grabó este
patrón en el bloque.

Tabla 24.2 Constante dieléctrica y rigidez dieléctrica de algunos materiales aislantes
Rigidez dieléctrica,
Em ( V m )

2.8
3.3
2.2
2.6
4.7

3 3 107
6 3 107
7 3 107
2 3 107
1 3 107

/

❚

a
24.18 Moléculas polaresS ) sin uncampo eléctrico aplicado E ySb) con
un campo eléctrico aplicado E.
a)
–
+

+

+

–

En ausencia de un
campo eléctrico,
las moléculas polares
se orientan al azar.

–+
b)

S

–

–

+

+
+

–+

–

En la sección 24.4 se estudiaron las cargas superficiales inducidas en un dieléctrico,
debidas a un campo eléctrico. Ahora veremos cómo se originan estas cargassuperficiales. Si el material fuera un conductor, la respuesta sería sencilla. Los conductores
contienen carga que tiene libertad de movimiento y, cuando está presente un campo
eléctrico, algunas de ellas se redistribuyen en la superficie de manera que no hay campo eléctrico dentro del conductor. Pero un dieléctrico ideal no tiene cargas con libertad para moverse, así que, ¿cómo puede surgir una cargasuperficial?
Para comprender esto, se tiene que analizar otra vez el reacomodo de la carga a nivel molecular. Algunas moléculas, como las de H2O y N2O, tienen cantidades iguales
de cargas positivas y negativas, pero con una distribución desigual, con exceso de
carga positiva concentrada en un lado de la molécula y carga negativa en el otro. Como se describió en la sección 21.7, tal arreglo recibe elnombre de dipolo eléctrico, y
la molécula se llama molécula polar. Cuando no está presente un campo eléctrico en
un gas o un líquido con moléculas polares, éstas se orientan al azar (figura 24.18a).
Sin embargo, al colocarse en un campo eléctrico, tienden a orientarse como en la

–

*24.5 Modelo molecular de la carga inducida

–+

Evalúe su comprensión de la sección 24.4 El espacio...