Rigidez Dielectrica

RIGIDEZ DIELECTRICA

Entendemos por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor. Se mide en voltios por metro V/m (en el SI). También podemos definirla como la máxima tensión que puede soportar un aislante sin perforarse. A esta tensión se la denomina tensión de rotura de un dieléctrico.

El término rigidez se utiliza porque cuando la materia transmite energía, vibra en su extensión llevando su mensaje de una molécula a otra. Cuando no vibra, pues está rígida y no transmite nada. Cuanto más rígida es, más aislante resulta. Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos.

Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita.

Aplicaciones

Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen. Cada material dieléctrico posee una constante dieléctrica k. Tenemos k para los siguiente dieléctricos: vacío tiene k = 1; aire (seco) tiene k = 1,00059; teflón tiene k = 2,1; nylon tiene k = 3,4; papel tiene k = 3,7; agua tiene k = 80.

Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la goma. La introducción de un dieléctrico en un condensador aislado de una batería, tiene las siguientes consecuencias:

Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador.

Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relación Vi/k.

Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).

Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces.

La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada cuando el condensador estuvo sometido a un voltaje.

Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho material en un conductor.

Tenemos que la capacitancia con un dieléctrico llenando todo el interior del condensador esta dado: C = kEoA / d (Donde Eo es la permisividad eléctrica del vacio).

CAMPO ELECTRICO

Es más útil, imaginar que cada uno de los cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente está presente la carga Q, después de haber retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga Q crea un campo eléctrico en el punto P. Al volver a poner la cargaq en el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo eléctrico creado por la carga Q.

Cada punto P del espacio que rodea a la carga Q tiene una nueva propiedad, que se denomina campo eléctrico E que describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.

La unidad de medida del campo en el S.I. de Unidades es el N/C

En la figura, hemos dibujado el campo en el punto P producido por una carga Q positiva y negativa respectivamente.

POTENCIAL ENTRE PLACAS DE UN CAPACITOR

En cada placa del capacitor siempre hay cargas iguales y opuestas. Las cargas de una placa van a atraer a las cargas de la otra placa. Esto va a provocar que las placas tengan diferente potencial. Su diferencia de potencial será V. (V o ΔV)

En el caso de un capacitor la diferencia de potencial entre placas seria el trabajo que hay que hacer para mover una carga de 1 coulomb desde una placa hasta la otra.

A la diferencia de potencial se la pone como V o como DV. Este delta V es la resta entre los potenciales de las dos placas. Es decir, DV = V2 - V1. Hay una fórmula que relaciona el potencial entre placas Vcon el campo eléctrico E y la distancia entre placas. La relación es V = E x d.

Fórmula:

V = E.d

CAPACITANCIA DE UN CAPACITOR

Considere dos conductores que tienen cargas de igual magnitud pero de signo opuesto como se muestra en la figura 3.1 Tal combinación de dos conductores se denomina capacitor. Los conductores se conocen como placas. Debido a la presencia de las cargas existe una diferencia de potencial entre conductores. Puesto que la unidad de diferencia de potencial es el volt. Una diferencia de potencial suele ser llamada voltaje. Se usara este término para describir la diferencia de potencial a través de un elemento de circuito o entre dos puntos en el espacio.

Que determina cuanta carga esta sobre las placas del capacitor para un voltaje determinado? En otras palabras. Cual es la capacitancia del dispositivo para almacenar carga a un valor particular de una diferencia de potencial? Los experimentos muestran que la cantidad de carga Q sobre un capacitor es linealmente proporcional a la diferencia de potencial entre los conductores; es decir Q . La constante de proporcionalidad depende de la forma y separación de los conductores. Esta relación se puede escribir como Q = C si se define a la capacitancia como sigue:

La capacitancia C de un capacitor es la razón entre la magnitud de la carga en cualquiera de los dos conductores y la magnitud la diferencia de potencial entre ellos:

Advierta que, por definición, la capacitancia siempre es una cantidad positiva. Además, la diferencia de potencial siempre se expresa en la ecuación 3.1 como una cantidad positiva. Puesto que la diferencia de potencial aumenta linealmente con la carga almacenada, la proporción Q/ es constante para un capacitor dado. En consecuencia, la capacitancia es una medida de la capacidad del capacitor para almacenar carga y energía potencial eléctrica.

FENOMENO DEL RAYO

Puede alcanzar varios kilómetros de altura y de ancho, la nube tempestuosa de tipo Cúmulo-Nimbus es la causa de la producción de los rayos.

Las turbulencias atmosféricas y las fuertes diferencias de temperaturas (de hasta – 60 °C a 10 km de altura) engendran una separación de las cargas de la nube : su parte superior se constituye de cristales de hielo cargados positivamente y su base de gotas de agua cargadas negativamente. La base de la nube influye localmente sobre la carga del suelo en superficie atrayendo una cantidad equivalente de cargas eléctricas de polaridad opuesta.

Cuando la nube está demasiada cargada, la nube se esfuerza por despejar esta carga "explotando”: se descarga por cambio de cargas con el sol (rayo), o con otras nubes o zonas de nubes (rayos intra o inter-nubes). Mil millones de cargas eléctricas son disipadas causando corrientes que pueden alcanzar 500.000 A y tensiones de varios millones de voltios.

Es importante tomar en cuenta que corrientes del orden de 30 milésimas de Amperios (mA) bajo tensiones de solamente 50 Voltios pueden ser peligrosas para el hombre, y mortal por valores superiores a 1 Amper !

EL FENÓMENO DE LA DESCARGA

De la base de una nube generalmente cargada negativamente sale una pre-descarga llamada "trazador o aguijón", débilmente luminosa, cuya progresión hacia el suelo se hace por saltos sucesivos de varios decenas de metros.

Al acercarse del suelo, la extremidad fuertemente cargada del “trazador o aguijón" engendra a su vertical un importante crecimiento del campo eléctrico local. A aproximadamente 200 m del suelo, efluvios de cargas o "streamers" salen de los puntos de impactos preferenciales del rayo en el cual el camp eléctrico es el más intenso (cimas de los arboles, chimeneas, pararrayos,). Localmente, estos efluvios se ponen en descargas ascendentes positivas y van al encuentro del "trazador o aguijón".

El streamer que ofrece las mejores características de cebadura y de propagación alcanza el trazador descendente y hace la junción eléctrica nube-suelo por la formación de un conducto ionizado. Este camino privilegiado ocasiona una fuerte descarga eléctrica de varios millares de amperios llamados "arco en retorno".

Entre 0,2 a 1 segundo (s), varios golpes de rayo pueden intercambiarse, su progresión es continuada y su velocidad de propagación muy elevada.

TIPOS DE RAYO Y PARARRAYOS

Según la polaridad de la nube (cargas positivas o negativas a su base) y el sentido de la descarga (ascendente o descendente), cuatro tipos de descarga pueden suceder. Bajo nuestras latitudes, medidas estadísticas en campo, han demostrado que más de un 90% de las descargas son golpes de rayo descendente de tipo negativo.

Instalados según las reglas del arte, los pararrayos sumista, cualquiera que sea el tipo de rayo, características de cebadura y de propagación mejores que otro elemento en las cercanías. No atraen (no rechazan) el rayo sino que protegen las estructuras contra sus efectos desviando la corriente de rayo a la tierra y garantizando su flujo

...