Dieléctricos CIENCIA

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Ciencia

Medios por los que no circula corriente eléctrica aunque se establezca una diferencia de potencial entre dos de sus puntos.

Esta definición corresponde, en realidad, a un d. ideal. Los d. reales tienen siempre una pequeña conductividad, pero un d. normal (vidrio, p. e¡.), tiene una conductividad 1Om (la unidad seguida de 20 ceros) veces más pequeña que un conductor típico, como el cobre. Este número es tan enorme que, get%ralmente, basta para afirmar que los d. son no conductores.

Los d. fueron las primeras sustancias en las que se demostró la existencia de fenómenos eléctricos. Los experimentos de la barra de vidrio o ámbar que, por frotamiento atrae pedacitos de médula de saúco, conocidos ya por los griegos, son fenómenos de carga de dieléctricos.

Los primeros experimentos científicos en Electrostática (v.), aunque realizados sobre conductores metálicos, necesitaron ya el concurso de d. (fundamentalmente vidrio) para impedir la fuga de las cargas eléctricas acumuladas. El descubrimiento de la corriente eléctrica (v.), y las aplicaciones prácticas a que dio lugar, obligaron a un estudio extenso de los d. en su papel de aisladores, cuya calidad puede ser determinada por medio de la magnitud denominada tensión de ruptura o diferencia de potencial por unidad de espesor de d. bajo la cual la debilísima corriente que normalmente se produce en un d. se multiplica incontrolablemente produciendo, en general, la ruptura mecánica del mismo.

Pronto se descubrió otra importante propiedad de los d., que ha constituido la base de un extenso campo de aplicaciones: la capacidad para almacenar carga eléctrica que tenía un condensador constituido por dos láminas metálicas separadas por aire se incrementaba varias veces si se introducía un d. entre las láminas. Prácticamente todos los condensadores que se fabrican hoy día, y que se utilizan con profusión en la industria electrónica y electrotécnica, utilizan un d. que permite, para una determinada capacidad, reducir el tamaño del elemento. La característica fundamental que define la calidad del d. desde este punto de vista es su constante dieléctrica, cuya definición daremos inmediatamente.

En la actualidad, los d., usados extensamente en las dos aplicaciones básicas citadas, han encontrado también otra gama de posibilidades de utilización como resonadores para control de osciladores, cabezas fonocaptoras, detectores de presión, generadores de ultrasonidos, etc. que si no ha adquirido el volumen que corresponden, p. ej., a los semiconductores, tiene, sin embargo, cierta importancia.

Dividiremos este estudio sobre los d. en tres apartados, cada uno de los cuales trata de las propiedades que permiten utilizarlos en cada una de las aplicaciones citadas anteriormente.

Teoría de la polarización de los dieléctricos. Los d. están compuestos por moléculas, cada una de las cuales está dotada, a su vez, de un conjunto de cargas positivas y negativas. A diferencia de lo que ocurre en los metales (V. ELÉCTRICA, CONDUCCIóN), estas cargas eléctricas no pueden separarse de la correspondiente molécula, y, por tanto, no existen portadores que puedan transportar la corriente eléctrica en el caso de que se aplique un campo eléctrico (V. CAMPOS, TEORÍA DE LOS). Sin embargo, pueden orientarse en la dirección de dicho campo eléctrico. Si la molécula es apolar, esto es, si coinciden los centros de gravedad de las cargas negativas y positivas, las fuerzas del campo eléctrico, operando en una dirección sobre las cargas negativas y en la contraria sobre las positivas, provocan una deformación de la molécula que separa los centros de gravedad. De esta forma la molécula queda convertida en un dipolo eléctrico orientado en la dirección de las fuerzas del campo eléctrico. Ciertas moléculas son ya polares cuando aún no existen fuerzas eléctricas; en este caso el efecto de éstas consiste, además de en provocar la deformación previamente citada, en orientarlas.

Supongamos un par de placas metálicas paralelas separadas una cierta distancia y cargadas con una densidad superficial de carga eléctrica o-. Este conjunto constituye un condensador, en cuyo interior se desarrolla un campo eléctrico, o fuerza sobre la unidad de carga, que vale (V. ELECTROSTÁTICA):

E=Q/EO(1)

donde E0 es la constante dieléctrica del vacío.

Si entre estas dos placas introducimos un d. se produce el fenómeno de polarización que hemos descrito; los dipolos se orientan disponiéndose como se representa esquemáticamente en la fig. 1.

En el interior del material d. las cargas positivas de los dipolos se compensan con las negativas adyacentes del dipolo próximo y no contribuyen a producir nuevas fuerzas eléctricas. Pero en ambas superficies del inducido aparece una densidad de carga inducida o-;, de signo contrario a la de la placa metálica próxima, y, en general, de valor inferior al de aquélla. Con esta polarización del d. la carga efectiva que contribuye a crear el campo ya no es o-, sino o--o-;, y, por tanto, aquél vale

E’=(--Ert)/EO(2)

siendo su valor inferior al que existía cuando no había d. Las cargas inducidas son creadas por el campo E’ que existe realmente cuando se coloca el d., y, por tanto, podemos suponer que serán proporcionales a E’. Su valor dependerá también, cómo es lógico, de la naturaleza del d., denominándose el coeficiente de proporcionalidad 71 susceptibilidad dieléctrica del material:

o-¡=nE’(3) La susceptibilidad define, pues, la capacidad de polarización de las moléculas del d., o bien, si son ya polares, la capacidad de orientación en el campo eléctrico.

Sustituyendo el valor de o-; de la ecuación (3) en la (2), y operando, se obtiene

E’=- - --(4)

1 + n ) EOkEOE EO

El número k, que es siempre mayor que la unidad, recibe el nombre de coeficiente dieléctrico del material, y da la relación entre su constante dieléctrica (E) y la del vacío (E0).

Las expresiones (2) y (4) indican que podemos interpretar el fenómeno de la introducción de un d. entre las dos placas de un condensador de dos formas: a) como una aparición de nuevas cargas inducidas (r; en un proceso en el que la relación entre cargas y campo eléctrico es una constante universal E0 con independencia del medio interpuesto entre las placas, o, b) como un aumento de la constante dieléctrica del medio, mientras que las únicas cargas que consideramos como reales son las que hemos colocado en las placas metálicas.

En cualquiera de las dos interpretaciones, el valor de E’ disminuye respecto al que tenía cuando no había d., y como el cociente u/E’ define la capacidad de un condensador de unidad de superficie en sus placas y unidad de longitud en la separación de las mismas, la capacidad del condensador resulta aumentada por la inclusión del d.

Damos a continuación los valores de los coeficientes dieléctricos o constantes dieléctricas relativas de algunos materiales:

Hielo ..... ... ... ... ... ... ... ... 4,8 Cloruro sódico ... ... ... ... ... ... ... 5,9 Esteatita .. .... ..... ... ...5 a 8

Cerámicos de titanato de bario ... ... ...Alrededor de 1.000

Idem. de bario y estroncio ... ... ... ...Alrededor de 8.000 Porcelana ... ... ... ... ... ... ... ... ... 9

Vidrios ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...De 4 a 10

Baquelitas ... ... ... ... ... ... ... ... ...De 4 a 8 Electroestricción, piezoelectricidad, piroelectricidad y ferroelectricidad. Ciertos cuerpos d. presentan las interesantes propiedades que acabamos de citar y que forman la base de las aplicaciones especiales mencionadas anteriormente.

La electroestricción consiste en un alargamiento que experimentan los cuerpos d. cuando se les aplica un campo eléctrico, en la dirección de dicho campo. La presentan todos los d. en mayor o menor grado, ya que es debida a la deformación y separación del centro de gravedad de cargas que, como hemos dicho, constituye la esencia del fenómeno de la polarización. Se caracteriza, ,respecto a la piezoelectricidad, que estudiaremos a continuación, porque el alargamiento se produce tanto cuando el campo aplicado es de un signo como cuando es del contrario, y porque no se produce el efecto inverso: es decir, porque si se alarga o acorta el material por acción mecánica no aparece ningún efecto eléctrico.

La piezoelectricidad es una propiedad que presentan ciertos cuerpos d. cristalizados. De las 32 clases cristalográficas en que, por razón de su simetría, se dividen los cristales (v. CRISTALOGRAFÍA) hay 20 que no tienen centro de simetría. Esta falta de simetría del cristal es la manifestación externa de una asimetría de las moléculas que lo forman, las cuales tienen separado el centro de gravedad de sus cargas positivas y negativas (son moléculas polares). En este caso, la aplicación de campo eléctrico de un signo separa más de lo que estaban dichos centros de gravedad, alargando el cristal, pero la aplicación de campo de signo contrario los junta, acortándolo. Se trata, por tanto, de un fenómeno similar a la electroestricción, pero en el cual, un cambio de signo del campo produce un cambio de signo del alargamiento. Además, si comprimimos el cristal, los centros de gravedad de las cargas se acercan, y esto se traduce en la aparición de cargas eléctricas inducidas en la superficie del cristal. Si dilatamos mecánicamente al cristal piezoeléctrico, aparecen cargas de signo contrario. Hay, por tanto, una correspondencia bidireccional entre el efecto mecánico y el eléctrico, cosa que no ocurría en la electroestricción.

Debido a ello, los cristales piezoeléctricos han encontrado una extensa aplicación como detectores de presión, permitiendo traducir esta magnitud en un dato eléctrico. Su utilidad se extiende a campos tan variados como la detección de las altas y rápidamente variables presiones del interior de los cilindros de los motores de explosión, hasta la construcción de cabezas fonocaptoras para tocadiscos, para poner dos ejemplos típicos. Se utilizan también extensamente para la estabilización de osciladores (v.) y para la generación de ultrasonidos.

Entre los cuerpos piezoeléctricos hay algunos cuyos dipolos eléctricos en ausencia de campo externo son tan intensos, que se "enganchan" unos con otros -las cargas positivas de unos con las negativas de otros-, orientándose espontáneamente. Este proceso se refleja en la simetría cristalina, y de las 20 clases de cristales piezoeléctricos hay 10 en las que se ha verificado el encadenamiento de dipolos. Los cristales de estas 10 clases se denominan piroeléctricos. La razón del fenómeno es la siguiente: pese a estar unidas las filas de dipolos como las cuentas de un rosario, la posición de los dipolos individuales no es rígida. Se están moviendo ligeramente respecto a su posición de equilibrio, como consecuencia de la agitación térmica. Al mismo tiempo, estos cuerpos deberían presentar una carga inducida en su superficie. Sin embargo, esta carga no se manifiesta porque existen siempre en la atmósfera, e incluso en el interior del cristal, cargas libres que neutralizan exactamente a las inducidas que se producen en la superficie como consecuencia de la ordenación de los dipolos. Pero si se calienta el cristal, la agitación térmica aumenta: esto equivale a una disminución de la polarización del cristal; las cargas inducidas en la superficie disminuyen, y queda un exceso de cargas libres: el cristal aparece con una carga neta en la superficie como consecuencia de la aplicación de calor.

Entre los cuerpos piroeléctricos hay algunos especiales en los cuales, aplicándoles un campo eléctrico intenso, es posible conseguir que todos los dipolos orientados se "vuelquen" de una forma prácticamente total o instan-. tánea, quedando orientados en sentido contrario al que antes tenían. Estos cuerpos se denominan ferroeléctricos, porque tienen ciertas propiedades paralelas en cierto modo a las de los ferromagnéticos (v. MATERIA II, 4). Concretamente, si se obtiene la variación de polarización en función del campo sinusoidal aplicado, resulta un ciclo de histéresis (fig. 2) de una forma similar al de los ferromagnéticos, y, lo mismo que éstos, tienen una temperatura de Curie, por encima de la cual pierden bruscamente sus propiedades ferroeléctricas. Igual que los ferromagnéticos tienen una permeabilidad magnética muy superior a la de los que no lo son; los ferroeléctricos suelen tener una constante dieléctrica muy elevada. Entre ellos se encuentran, p. ej., el titanato de bario y estroncio, cuyas constantes dieléctricas se han indicado anteriormente.

Aplicaciones de los dieléctricos como aisladores. Teniendo en cuenta que no hay experimento o técnica eléctrica que no necesite el concurso de los d. para separar a los conductores que intervienen en ellos, las aplicaciones de los mismos como aisladores son variadísimas y se emplean tanto en estado sólido como líquido y gaseoso. Los d. gaseosos, concretamente el aire a presión normal, juegan un papel importante en el aislamiento de partes eléctricas de los sistemas, pero su tensión de ruptura puede mejorarse notablemente utilizando el mismo aire u otros gases a presiones altas. La fig. 3 da la tensión de ruptura que corresponde al nitrógeno y al anhídrido carbónico a diversas presiones, cuando el campo aplicado es prácticamente uniforme. Aunque las mejores características de los gases a presiones altas se pierden, en general, cuando la geometría del sistema que debe ser aislado tiende a complicarse, sus posibilidades de aplicación como aislantes con extensas.

Los d. líquidos más empleados eñ la práctica son aceites hidrocarbonados extraídos del petróleo (parafinas, aceite de transformadores) e hidrocarburos sintéticos de cadena cerrada, clorados o fluorados (ascarel, etc.). Su utilización principal se centra en el aislamiento de cables y transformadores de potencia. Su misión no es únimente aislar a los conductores que constituyen el aparato, sino también -en el caso de los transformadorespromover un transporte de calor desde las partes internas del dispositivo hacia el exterior, favoreciendo la refrigeración.

Los d. sólidos empleados en el transporte y distribución de energía eléctrica, así como en el aislamiento de devanados de máquinas, admiten una clasificación técnica basada en la temperatura que son capaces de soportar sin deteriorarse, en la que el límite inferior está en los aislantes de tipo orgánico no impregnado (algodón, seda, papel, etc.), cuya temperatura no ha de exceder de los 90° C, y el límite superior en los aislantes que consisten solamente en materiales inorgánicos, como mica, porcelana, vidrio, etc., para los cuales no existe límite de temperatura especificado. En una zona intermedia se encuentran los materiales orgánicos impregnados en aceites d., las resinas fenólicas, barnices de recubrimiento de cables, etcétera (hasta 105° C); micas, amiantos y fibras de vidrío tejidos con materiales orgánicos (hasta 130°), etc.

Sus características y posibilidad de aplicación como aislantes dependen, no sólo de la tensión de ruptura, sino también de otras propiedades físicas o químicas que, aunque aparentemente no tienen relación con sus propiedades eléctricas, en la práctica influyen poderosamente en su capacidad de aislamiento: resistencia a la rotura, flexibilidad, resistencia a los ataques químicos (fundamentalmente a la oxidación), envejecimiento, etc.

V. t.: ELECTRICIDAD; ELECTROSTÁTICA.

J. GONZÁLEZ IBEAS.

BIBL.: C. KITTEL, Introducción a la Física del estado sólido, Barcelona 1965; H. FRÓLICH, Theory ot dielectrics, Londres 1958; E. W. MASON, Piezoelectric crystals and their application to ultrasonics, Nueva York 1964; J. C. ANDERSON, Dielectrics, Londres 1963; A. R. vox HIPPEL, Dielectric Materials and Applications, Nueva York 1954; F. JONA y G. SHIRANE, Ferroelectric Crystals, Londres 1962.