Asignatura:ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOPROFESOR: MG. ING. JORGE MONTAO PISFILUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICA

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

DIELCTRICOS, EL CAMPO ELCTRICO EN MEDIOS DIELCTRICOS

DIELCTRICOS

Los dielctricos ideales son materiales que no conducen las cargas elctricas porque no tienen cargas libres, es decir, no poseen electrones capaces de desplazarse libremente a travs del material bajo la influencia de un campo elctrico. Los materiales dielctricos pueden ser de diferentes clases: slidos, lquidos o gases. Entre los dielctricos slidos tenemos por ejemplo: polmeros industriales empleados en la industria elctrica y electrnica (baquelita o resinas fenlicas, Cloruro de PoliVinilo o PVC, PoliEtileno o PE, Poliestireno o PS, Acrilonitrilo Butadieno Estireno o resinas ABS, nylon), mica, papel, cuarzo, caucho, vidrio, cermica (porcelana), germanio. Entre los dielctricos lquidos tenemos: aceite mineral, glicerina, agua, goma. Entre los dielctricos gaseosos tenemos: el aire y el exafluoruro de azufre (SF6).

Dielctricos slidosAisladores de porcelanaAisladores polimricosAisladores de vidrio

Dielctricos lquidosAceite aislanteGlicerinaGoma aislante

MATERIALES DIELCTRICOS UTILIZADOS COMO ELEMENTOS DE SEGURIDAD ELCTRICA (ELEMENTOS DE PROTECCIN PERSONAL - EPP)GUANTES AISLANTESCASCO AISLANTEGUANTES AISLANTESBOTAS AISLANTES

MATERIALES DIELCTRICOS UTILIZADOS EN CABLES DE TRANSMISIN Y EN CONDUCTORES DE ENERGA ELCTRICAFIBRA PTICA

OTRAS APLICACIONES DE LOS DIELCTRICOS BANCOS DE CAPACITORES EN LA INDUSTRIATodas las compaas suministradoras penalizan al usuario cuando este consume energa reactiva en exceso, pues esto ocasiona que se pierda capacidad instalada en transmitir energa que no produce trabajo til. El capacitor es un equipo elctrico cuya funcin bsica es suministrar parte o el total de esta energa reactiva que demanda una carga y evitar as ser multados. El uso de capacitores no es recomendable cuando en el sistema elctrico existen cargas no lineales para lo cual se recomienda el uso de filtros de armnicas. Los bancos de capacitores pueden ser de dos tipos dependiendo de los ciclos de trabajo que tenga un usuario: capacitores fijos y capacitores automticos. En la industria por ser cargas no constantes, sino variables, se usa el banco de capacitores automtico.

POLISTERCD HECHO DE POLICARBONATOMATERIALES DIELCTRICOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIN DE DIVERSOS OBJETOSEMBASE DE YOGURT

CONSTANTE DIELCTRICA DE UN DIELCTRICO

Los dielctricos tienen una constante dielctri-ca cuyo valor depende de la naturaleza del material dielctrico y de la temperatura a la que se encuentra. La tabla muestra las constantes dielctricas para varias sustancias a una temperatura de 20 C.

Vaco 1Aire (1 atm) 1,00059Tefln 2,1Polietileno 2,25Benceno 2,28 Cloruro de polivinilo 3,18Mica 3 - 6Cuarzo 4,3Vidrio 5 10Germanio 16 Glicerina 42,5Agua 80,4

COMPORTAMIENTO DE UN DIELCTRICO CUANDO SE LE APLICA UN CAMPO ELCTRICO EXTERNO

Si a un dielctrico le aplicamos un campo elctrico externo, las cargas se reordenan en su interior, de manera de seguir siempre fuertemente ligadas a su ncleo. En este caso se dice que el dielctrico se polariz. En el dielctrico polarizado cada molcula se convierte en un dipolo inducido, estos dipolos producen un nuevo campo elctrico, que se suma al original. El efecto total, desde el punto de vista macroscpico, es ms fcil de visualizar como un desplazamiento de toda la carga positiva en el dielctrico con respecto a la carga negativa.Un dielctrico polarizado, aun siendo elctricamente neutro en promedio, produce un campo elctrico en los puntos exteriores e interiores del dielctrico. A continuacin se muestra una porcin de material dielctrico polarizado.

NOTA:

Cuando un dielctrico se introduce entre las placas de un capacitor aislado de una batera, origina las siguientes consecuencias:- Disminuye la intensidad del campo elctrico entre las placas del capacitor.- Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del capacitor.- Aumenta la diferencia de potencial mxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dielctrica).- Aumenta la capacitancia de un capacitor. La carga se mantiene constante (es la misma carga con la cual fue cargado el capacitor cuando estuvo sometido a un voltaje). Material dieltrico polarizado, debido al campo elctrico existente entre las placas de un capacitor plano.

DISRUPCIN (RUPTURA O PERFORACIN) DE UN DIELCTRICO RGIDEZ DIELCTRICA

Cuando el campo elctrico en un dielctrico es suficientemente grande, comienza a jalar los electrones para desprenderlos de las molculas, y el dielctrico se vuelve conductor. Entonces se dice que ha ocurrido disrupcin (ruptura o perforacin) de un dielctrico cuando ste se vuelve conductor. El quebrantamiento de un dielctrico ocurre en todas las clases de materiales dielctricos (gases, lquidos y slidos) y depende de la naturaleza del material, la temperatura, la humedad y el tiempo en que se aplica el campo. El valor mnimo del campo elctrico al que ocurre la disrupcin dielctrica se llama resistencia o rigidez dielctrica del material dielctrico. Es decir, la resistencia dielctrica es el campo elctrico mximo que puede tolerar o soportar un dielctrico sin disrupcin. Los materiales dielctricos tienen una rigidez dielctrica no nula. En la siguiente tabla se muestra la rigidez dielctrica para algunos materiales.

TABLA DE RIGIDEZ DIELCTRICA PARA ALGUNOS MATERIALES

Al producir los rayos o descargas atmosfricas se ha producido disrupcin, rup-tura o perforacin del aire.* Segn la tabla adjunta la rigidez dielctrica del aire es 3 millones de voltios por metro.

MaterialRigidez dielctrica (V/m)Aire (a presin atmosfrica)NailnAceite mineralPapelPoliestirenoBaquelitaCauchoVidrioTeflnMica

POLARIZACIN ( )

La polarizacin es una cantidad vectorial que caracteriza el comportamiento electrosttico de un medio dielctrico. Se define como el momento dipolar por unidad de volumen.

, = momento dipolar elctrico =

La densidad superficial de polarizacin ( ) es una cantidad escalar que se define por:

Donde: = vector unitario normal; = vector polarizacin

la densidad volumtrica de polarizacin ( ) es una cantidad escalar que se define por:

DENSIDAD DE FLUJO ELCTRICO O DESPLAZAMIENTO ELCTRICO ( )

En un material dielctrico la intensidad de campo elctrico, debido a una distribucin de cargas dada, es diferente a la intensidad de campo elctrico en el vaco, esto se debe a la polarizacin presentada en el material dielctrico.

En estas circunstancias, definimos una nueva cantidad fundamental de campo denominada densidad de flujo elctrico o desplazamiento elctrico, , de forma que:

Donde:

= permitividad del vaco o del espacio libre. = vector campo elctrico

= vector polarizacin

Ley de Gauss en dielctricos

En presencia de un material dielctrico o de cualquier medio la ley de Gauss queda expresada de la forma siguiente:Donde: QLIBRE = carga libre encerrada por la superficie gaussianaLa forma diferencial de esta expresin es:Donde: = densidad de carga volumtrica (de las cargas libres)