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Barnices – Material No Conductor Electrico

Se denominan barnices aislantes a base de aceites a aquellos que tiene en su composición un porcentaje grande de aceites vegetales. Se utilizan ampliamente ya sea para el barnizado de las telas aislantes como para la impregnación de los arrollamientos de motores, transformadores, etc. Y sirve para proteger el arrollamiento de las solicitaciones mecánicas así como para mejorar el aislamiento.

barniz aislante electrico

Se componen fundamentalmente de resinas, asfaltos, betunes o breas y ceras disueltas en líquidos apropiados, con adición de aceites secantes para acelerar el secado.

Los barnices al aceite son de color amarillo o negro; se secan a en el horno, la impregnación es por simple inmersión o en autoclave (recipiente de paredes gruesa y cierre hermético para realizar bajo presión una reacción industrial o la cocción o esterilización al vapor).

Los barnices amarillos tienen una mayor resistencia al aceite que los negros y poseen una mayor rigidez dieléctrica y una mayor resistencia al agua y al envejecimiento. Los barnices secados al aire son menos elásticos, pero más adhesivos; los secados al horno tienen una mayor elasticidad y resistencia al aceite y al calor.

Las materias primas necesarias para la producción de barnices aislantes son: Aceites secantes, resinas, betún, secantes y disolventes. Las resinas pueden ser naturales o sintéticas. Las resinas naturales son en su mayor parte, de origen fósil, provenientes de la secreción de plantas resinosas. Se denominan a veces según la región de procedencia (Copal, Kauri, Manila, Dammar, Zanzíbar, etc.). Estas resinas son cocidas durante un cierto tiempo a 350ºC, para hacerlas solubles en aceite.

Las resinas sintéticas que se emplean en lugar de las naturales son el Glyptal, la baquelita y las resinas esterificadas (pega griega, desacidificada con glicerina). Para la obtención de barnices negros se emplea betún o sustancias similares.
Con la adición, al aceite cocido de resinas sintéticas se producen barnices con características superiores a la de los barnices fabricados con resinas naturales.

Las resinas del tipo fenol–formaldehído calentadas con aceite secante se combinan con éste provocando una notable polimerización, la cual permite un secado mucho más rápido que el que se puede conseguir con las resinas naturales.

Las resinas alquílicas (gliceroftálica) pueden ser empleadas sin la adición de un aceite secante por que contienen los componentes ácidos de éstos aceites y poseen la propiedad de una notable polimerización.

Otras numerosas resinas sintéticas pueden ser empleadas en la fabricación de barnices (urea–formaldehído, melamina–formaldehído, estireno polivinílico, resinas acrílicas y de siliconas).

Los secantes son compuestos metálicos (linoleatos, ricinoleatos, estearatos de cobalto manganeso, etc.) que se añaden a las oleoresinas para favorecer el secado de la masa, cediendo su oxígeno. Las resinas o los betunes se disuelven en los aceites para constituir los barnices, pero éstos resultan muy viscosos sin la adición de disolventes (benzol, bencina, petróleo, trementina, etc.) que se evaporan completamente durante el secado y no influye en las características del barniz.

Mas información en “Breve Descripción de Materiales No Conductores Electricos, Aislantes y Dieléctricos

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Aceites – Material No Conductor

Los aceites son ampliamente usados como aislantes, pueden clasificar en 3 grandes grupos:

aceites aislantes dielectrico

Aceites Minerales

Cuerpos grasos insaponificables (indescomponibles por los ácidos) derivados del petróleo. Los aceites para ser empleados como aislantes deben ser depurados de las sustancias que hacen disminuir su resistencia de aislamiento y rigidez dieléctrica y aumentar el factor de potencia, sustancias que, por otra parte son químicamente alterables y corrosivas.
La constante dieléctrica de los aceites aislantes tiene un valor medio de 2,3; su resistividad de masa es de Ε16 Ωcm, la rigidez dieléctrica de 500KV/cm, y el factor de potencia de 0,001 a 0,005%.

Aceites Sintéticos

A este grupo de aceites aislantes pertenecen algunos hidrocarburos clorados, como los clorodifenilos y los clorobencenos, que han sido estudiados para sustituir los aceites minerales como dieléctricos en los condensadores de papel y en los transformadores. Tiene una constante dieléctrica de 4 a 6, doble que la de los aceites minerales, y una rigidez dieléctrica parecida a la de éstos.
A su notable estabilidad térmica y química se añade su difícil inflamabilidad y la ventaja de ser más estables contra la oxidación y la de no dar lugar bajo la acción del arco a productos inflamables o explosivos (Askarel).
Dado su precio elevado se prefieren a los aceites minerales cuando deben emplearse en transformadores que forman parte de equipos electrónicos, que no deben correr riesgo de incendio o bien en los condensadores, por su elevada constante dieléctrica. En este caso, las reducidas dimensiones del condensador y la pequeña cantidad de material requerido, compensan el superior costo.

Aceites Vegetales

Contrariamente a los aceites minerales, los aceites vegetales tienen la propiedad de secarse por reacción con el oxígeno, el secado es una reacción química.
El mecanismo de la solidificación de los aceites secantes es químicamente complejo: consta de una oxidación y de una polimerización, que tiene lugar simultáneamente.
Estos aceites están constituidos por distintos ácidos orgánicos; los glicéridos, derivados de algunos de estos ácidos (como el linoleico, de aceite de linaza (semilla del lino), y el oleosteárico, del aceite de madera chino), poseen pronunciadas propiedades secantes.
La película obtenida por el secado de una capa de aceite está constituida por una sustancia elástica y gomosa que se endurece con el tiempo, llamada linocina en el caso del aceite de linaza. El aceite de linaza debe ser claro, con densidad, número de yodo y acidez bien determinadas y no debe dejar residuos cuando se calienta a mas de 300ºC.
El aceite de madera chino (Tung–oil) debe tener también características bien determinadas para ser empleados en los barnices. No puede calentarse a temperaturas superiores a 200ºC, y puede solidificarse por completo, aún en capas de cierto espesor, lo que no sucede con el aceite de linaza.


Mas información en “Breve Descripción de Materiales No Conductores Electricos, Aislantes y Dieléctricos

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Clasificacion de los Materiales No Conductores

clasificacion materiales NO conductoresLos Materiales no Conductores se clasifican, según las últimas normas del Comité Electrotécnico Internacional, en distintas clases teniendo en cuenta los valores máximos de temperatura  admisible:

  • Clase Y: temperatura máxima de funcionamiento 90ºC; algodón, seda y papel y sus derivados, sin impregnación.
  • Clase A: temperatura máxima 105ºC; algodón, seda y papel y sus derivados, convenientemente impregnados, recubiertos o sumergidos enun líquido aislante, por ejemplo, aceite.
  • Clase E: temperatura máxima 120ºC, materiales, simples o compuestos, con estabilidad térmica adecuada para actuar a dicha temperatura.
  • Clase B: temperatura máxima 130ºC; amianto, mica7, fibra de vidrio y sus derivados con la adición de aglomerantes apropiados.
  • Clase F: temperatura máxima 155ºC; amianto, mica, fibra de vidrio con los aglomerantes adecuados para soportar dicha temperatura.
  • Clase H: temperatura máxima 180ºC; elastómeros8de siliconas9, amianto, mica, fibra de vidrio, con resinas de siliconas como aglomerante.
  • Clase C: temperatura de funcionamiento superior a 180ºC; mica, materiales cerámicos, vidrio, cuarzo con aglomerantes inorgánicos o sin ellos.

Materiales No Conductores – Colección

Perdidas en los Materiales No Conductores

materiales dielectricos

Los materiales no conductores no son ni aislantes ni dieléctricos perfectos; entendiéndose como tal, la energía eléctrica por unidad de tiempo transformada en calor, cuando el material está sometido a un campo eléctrico. perfectos, y por lo tanto presentan

Fundamentalmente las pérdidas pueden clasificarse en:

  • Pérdidas por conductividad eléctrica
  • Pérdidas dieléctricas

Pérdidas por Conductividad

Están vinculadas a las corrientes relativamente pequeñas que pueden circular por los materiales llamados no conductores, cuando están sometidos a campos eléctricos (generalmente continuos). El fenómeno de conducción en estos materiales es relativamente complejo (sobre todo en los sólidos), pues a los fenómenos de conducción electrónica (asociados a los electrones de conducción) hay que agregar la conducción iónica, la conducción debido a las impurezas y muchas veces hay que tener en cuenta la acumulación de cargas que modifican el campo interno.

Las pérdidas por conductividad son generalmente despreciables en corrientes alternas.

A continuación se analizarán cada uno de los factores que intervienen en la conducción:

1) Los electrones de conducción: Están presentes en casi todos los materiales no conductores, y aún los mejores aislantes adquieren bajo la influencia de radiaciones de longitud de onda adecuada, cierta conductividad que sólo puede ser electrónica (Ej: conductividad del cuarzo bajo la influencia de los Rayos X).

2) Los iones: La conducción iónica puede tener importancia en los líquidos, y también en las sales. En éstas últimas, las moléculas pueden descomponerse en iones, y si bien las sales pueden comportarse como buenos aislantes a temperatura ambiente, esto se debe simplemente a una gran viscosidad que hace que los iones sólo pueden moverse con extrema lentitud. Un aumento de temperatura disminuye la viscosidad aumentando la conductividad. Por ejemplo el vidrio (por su naturaleza química una sal; silicato), al rojo, es tan conductor como un metal.

3) Las impurezas: Aumentan notablemente la conductividad de los llamados no conductores, un 1% de impurezas puede aumentar en varios cientos de veces, en muchos casos la gran resistividad de un material es un índice de su pureza.

4) Las cargas acumuladas en el dieléctrico: Modifican el campo interno pudiendo provocar una disminución de la corriente que atraviesa un material.
La acumulación de cargas provoca el llamado fenómeno de absorción del dieléctrico.

La absorción dieléctrica puede definirse como la propiedad de ciertos dieléctricos en los cuales se producen acumulación de cargas eléctricas en el material, cuando el mismo está sujeto a la acción de campos eléctricos y se manifiestan en un capacitor, por ej durante el proceso de carga, por una lenta disminución de la corriente hasta el valor final correspondiente a la corriente de conducción, y en el proceso de descarga por una lenta disminución de la corriente hasta el valor nulo correspondiente a la completa descarga del dieléctrico; es decir que la descarga total de un capacitor no es instantánea.

Resistividad

Partiendo del hecho de que en los llamados no conductores hay corrientes de conducción, se puede hablar de ciertos valores de conductividad, y consecuentemente, de valores de resistividad. En estos materiales se distinguen dos tipos de resistividad:

  • Resistividad interna o volumetria
  • Resistividad superficial.

Resistividad Interna o Volumetrica

Puede definirse como el valor de la resistencia entre dos cargas opuestas de un volumen unitario de la muestra. Se suele expresar en [MΩ·cm²/cm], o
simplemente en [MΩ/cm].
Para su determinación se puede recurrir a un dispositivo similar al de la Fig 1. A es la probeta del material a ensayar; B, C y D electrodos circulares prensados sobre la probeta. D es un electrodo de guardia que evita que el instrumento acuse las corrientes superficiales.

La tensión de ensayo aplicada a los terminales a y b pueden ser del orden de 500V a 1000V, y la corriente aplicada que circula a través de la muestra se mide con un microamperímetro o un galvanómetro.

resistencia volumetrica

Fig 1

El coeficiente térmico de la resistividad interna o volumétrica es generalmente negativo, lo que pone de manifiesto la naturaleza electrolítica de la conducción.

Resistividad Superficial

Puede definirse como el valor de la resistencia entre los lados opuestos de un elemento unitario de superficie. Para su determinación puede recurrirse
al montaje anterior con distinto conexionado o al dispositivo de la Figura 2. A es el material a ensayar, B y C dos electrodos en forma de cuchillos y dispuestos paralelamente y D es un electrodo de guardia que evita que la corriente que fluye a través del soporte que fija a B con C, sea acusada por el instrumento
.

resistencia superficial

Fig 2

El valor medio es lo que se designa como resistencia superficial (resistividad superficial), aunque conceptualmente no sea muy exacto, pues las líneas de fuerza del campo eléctrico se extienden en el interior del cuerpo.
La resistividad superficial está muy influenciada por la humedad, el polvo depositado o adherido, etc., es decir que a las características propias del dieléctrico, se agregan las características y el estado de la superficie.

Resistencia de Aislación

Se define como resistencia de aislación, al cociente entre la tensión aplicada, y la corriente circulante entre dos electrodos sumergidos o en contacto con un material. La naturaleza de la muestra y la forma de los electrodos puede determinar si el valor de la resistencia de aislación representa principalmente la resistencia interna o la resistencia superficial.

Pérdidas Dieléctricas

Las perdidas dieléctricas están vinculadas, en muchos casos, a los fenómenos de polarización, también pueden ser debido a impurezas, pero aún las sustancias rigurosamente puras presentan pérdidas considerables, sobre todo en un determinado rango de frecuencia. Estas pérdidas se deben en gran parte, a una imperfecta elasticidad eléctrica de los dieléctricos, de manera que la tensión aplicada tiene que vencer, además de las fuerzas elásticas,  cierta especie de rozamiento molecular o viscosidad (pérdidas por orientación de dipolos). Muchas veces se observa también un retraso de la polarización respecto a la intensidad del campo aplicado con la consecuente pérdida de energía (pérdidas por histéresis dieléctricas). La histéresis dieléctrica esta vinculada al fenómeno de absorción del dieléctrico.
Las pérdidas dieléctricas no son muy apreciables en corrientes continuas o de baja frecuencia.

Circuito Equivalente

perdidas dielectricas circuito equivalente

Fig 3.

Partiendo del hecho de que los materiales no conductores tienen pérdidas, puede plantearse el circuito de la Figura 3 como circuito equivalente de los mismos.
En este circuito, C representa la permitancia del material; R1 representa las pérdidas dieléctricas y R2 las pérdidas por conductividad. En la práctica, estas dos resistencias se combinan en una sola, colocadas en paralelo o en serie con C, siempre que se las elija de un valor adecuado.

diagrama vectorial perdidas dielectricas

Fig 4

Los valores de C, R1 y R2 son función de la temperatura, de la frecuencia, de la humedad, de la tensión, etc. En el circuito equivalente paralelo de la Figura 4 se puede plantear el siguiente diagrama de vectores de corrientes y tensiones: φ es el ángulo de fase (menor de 90º) y δ es el ángulo de pérdida (complemento del ángulo de fase) φ + δ =90º.

Factor de Potencia

Se denomina factor de potencia al coseno del ángulo de fase (cos φ ), y es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente.

factor potencia dielectricos

Factor de Disipasión

Se denomina factor de disipación D a la tangente del ángulo de pérdida (tg δ), y es la inversa del factor de mérito Q.

factor disipacion dielectricos

En la práctica, δ puede ser muy chico, y en ese caso: tg δ ≈ sen δ = cos φD = FP y el factor de disipación es sensiblemente igual al factor de potencia.
El producto εr·tg δ se denomina factor de pérdida.

Rigidez Dieléctrica

Cuando un dieléctrico esta sometido a la acción de un campo eléctrico, su estructura sufre ciertas deformaciones, que pueden compararse con las deformaciones de un cuerpo elástico bajo la acción de fuerzas mecánicas.
Mientras el campo no llegue a un determinado valor, el dieléctrico puede, desaparecido el campo, recobrar su estado de equilibrio, pero si se sobrepasa este determinado valor, se produce la ruptura del dieléctrico, y la corriente pasa a través del mismo. Este fenómeno se llama descarga disruptiva.
Se define como rigidez dieléctrica de un material, al máximo gradiente de potencial que el mismo puede resistir sin que se produzca la descarga disruptiva. Se expresa generalmente en V/cm, o KV/cm.

Tabla Comparativa de Materiales Dieléctricos

tipos materiales dielectricos

Materiales No Conductores – Colección

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Materiales No Conductores. Aislantes y Dilectricos

materiales no conductores

Asi como los materiales conductores son muy importantes en la electricidad y en la electrónica, los aislantes o materiales no conductores tienen una importancia igual de elevada.

Principalmente los No Conductores se clasifican en 2 grandes areas:

  • Materiales No Conductores Aislantes: Utilizados para construir estructuras físicas que tengan por objeto evitar corrientes de conducción.
  • Materiales No Conductores Dieléctricos: Cuya finalidad es la de modificar el valor de un campo eléctrico establecido en una región (por ejemplo en los capacitores).

Definiciones

Un aislante eléctrico es un material de conductividad prácticamente nula o muy baja, que idealmente no permite el paso de la corriente. La pequeña corriente que en la practica puede circular a través del mismo, se llama corriente de fuga.

Un dielectrico es, según definición de la A.S.A., un medio que tiene la propiedad de que la energía requerida para establecer en él, un campo eléctrico, es recuperable total o parcialmente como energía eléctrica.

De lo anterior se deduce que las propiedades aislantes y las propiedades dieléctricas (ambas correspondientes a los materiales no conductores) de un medio son distintas. Las propiedades aislantes están vinculadas a las corrientes de conducción, mientras que las propiedades dieléctricas están vinculadas al campo propiamente dicho, y a las corrientes de desplazamiento.

Un ejemplo: El aire es uno de los mejores aislantes sin embargo no es de los mejores dieléctricos, y su rigidez dieléctrica no es muy elevada.

Un medio dieléctrico es un medio en el que puede existir un campo eléctrico (en estado estático). Un medio conductor por el contrario, es un medio en el cual el campo eléctrico (en estado estático) no puede subsistir, es nulo en cualquier punto interior del mismo.
Los conductores son pues opacos al campo eléctrico, en cambio los dieléctricos son transparentes al mismo, y de allí su nombre.

Las características principales de los materiales no conductores, que definen su comportamiento eléctrico son:

  • Permitividad (Constante dieléctrica).
  • Resistividad interna o volumétrica.
  • Resistividad superficial.
  • Factor de potencia.
  • Factor de disipación.
  • Rigidez dieléctrica.

Materiales No Conductores – Colección

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC