Mica – Material No Conductor Aislante

La mica es uno de los materiales no conductor más usados como aislante o dieléctrico, por sus propiedades eléctricas y sus propiedades fisicas, constante dielectrica, su inhigroscopicidad, etc

Se conocen con el nombre genérico de micas, ciertos minerales cuya composición química y propiedades mecánicas, caloríficas y eléctricas son muy variables, en general son compuestos de sílice, aluminato de potasio, hierro y magnesio, que se caracterizan por poder subdividirse en hojas o láminas flexibles que pueden llegar a tener hasta 0,005mm de espesor. La mica es uno de los materiales más aptos para ser usados como aislante o dieléctrico, no sólo por sus propiedades eléctricas (constante dieléctricas εr entre 5 y 8; tensión de perforación aproximadamente 1000KV/cm) sino también por su inercia química, su inhigroscopicidad, su resistencia mecánica y especialmente por su resistencia a la acción del calor.

mica aislante transistores

Es interesante destacar que conviene evitar el contrato de la mica con los aceites aislantes pues el aceite penetra entre las láminas de la mica tendiendo a reducir la adherencia entre ellas y por consiguiente desintegrándola.

  • Micanita: La micanita es un aislante compuesto de láminas muy delgadas de mica, superpuestas y encoladas constituyendo grandes planchas de un cierto espesor. El barniz empleado para encolarlas fue durante mucho tiempo una solución de goma laca con alcohol, ahora se emplea resina gliftal. También puede esparcirse la cola bajo la forma de polvo finísimo, sobre láminas, a medida que se van superponiendo, obteniéndose su fusión en caliente. Las resinas de siliconas son también empleadas en el encolado de micanitas, cuando se quiere mantener el aislamiento a temperaturas de 200ºC.
  • Micalex: Para la fabricación de micalex se emplean recortes de mica triturados hasta obtener laminas muy pequeñas. Estas se mezclan con un vidrio fácilmente fusible, un borosilicato (Vidrio formado por anhídrido bórico y sílice, usado para la fabricación de objetos de cocina instrumentos de óptica), mezclado con borato de plomo, la mezcla se comprime en prensa según la forma deseada y se lleva a la temperatura de 700°C aproximadamente; al enfriarse se obtiene una masa compacta, dura de color gris claro, que resulta un óptimo aislante incluso para RF y temperatura de 500ºC.

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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:

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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.


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Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Fibras Textiles – Material No Conductor Dielectrico

Con esta denominación se conocen los productos fibrosos de diversos orígenes que pueden transformarse en hilos y telas empleados como materiales no conductores dilectricos, estos productos se distinguen por algunas de las propiedades de las fibras que los componen, tales como: la longitud, la fineza, la resistencia mecánica, la flexibilidad, etc.

fibras textiles material dielectrico

Pueden ser de diversos orígenes:

  • Vegetal: De algodón: de la semilla o fruto de la planta; de lino, cáñamo, yute: del tallo o corteza de la planta.
  • Animal: De seda: producto de secreción del gusano del mismo nombre.
  • Mineral: De amianto.
  • Artificial: De vidrio y de productos de materiales plásticos.

Al comienzo de su empleo, solamente se disponía de las fibras naturales y las mas empleadas para usos eléctricos fueron las sedas cuando se requería un buen aislante y el algodón cuando se necesitaba un recubrimiento de costo reducido. Pero con el desarrollo de las fibras artificiales, el rango de disponibilidad de estos materiales se fue incrementando enormemente.

Todos los materiales fibrosos son higroscópicos (tienden a absorber la humedad del ambiente), ya sean de origen vegetal, animal o mineral, según las condiciones ambientes de humedad y temperatura, contienen siempre un cierto porcentaje de humedad.

La resistencia a la tracción de las fibras textiles y de los productos manufacturados con ellas, además de la naturaleza del material depende de los procesos de fabricación, humedad y temperatura. Resultan también importantes: en los hilos, la regularidad y el grado de torsión; en las telas, la resistencia al desgaste, el número de hilos por unidad de longitud, el poder absorbente, la porosidad, etc. El título de un hilado representa la relación de su longitud–peso en general, y para la seda y el rayón la inversa, es decir la relación peso–longitud.

Las telas de algodón, barnizadas o impregnadas, tienen espesores de 0,125 a 0,3mm, con rigidez dieléctrica de 16 a 40KV/mm, según el tipo de tela y de barniz, el espesor, el tiempo de solicitación, etc.

La seda barnizada o impregnada posee además de una elevada rigidez, una extrema flexibilidad y es usada donde sea necesario un pequeño espesor de aislante. Se la emplea en espesores de 0,08 a 0,15mm y la rigidez puede llegar a los 50KV/mm.

Las cintas o tiras se cortan de la tela en sentido directo, o en diagonal con respecto a la trama del tejido. Se requieren cintas con trama diagonal cuando se desea encintar con gran regularidad y adherencia, superficies complicadas.

Son también muy difundidas las cintas de algodón engomadas, de gran adherencia (cintas aisladoras). Las normas IRAM 2030 P especifican sus principales condiciones o características.

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Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Papel – Material No Conductor Dielectrico

El papel (impregnado o no) es el material más usado como dielectrico en los capacitores debido a sus buenas cualidades y principalmente su bajo precio…

papel dielectrico

El papel es uno de los materiales mas usados como aislante o dieléctrico, su importancia se deriva de sus notables cualidades intrínsecas y su bajo precio, su principal desventaja reside en que generalmente, debe ser impregnado.
En cables, las ventajas que ofrece son: temperatura de trabajo relativamente elevada (hasta los 70ºC) la que es apreciablemente mas elevada que para la goma; las bajas pérdidas dieléctricas y la alta rigidez dieléctrica.

Se pueden utilizar:

  • Simplemente secados: están aislados así los cables bajo plomo empleados en las líneas telefónicas.
  • Impregnados: con aceite mineral, o con aceite mineral y colofonia, y protegido con vaina de plomo, generalmente usados para la distribución de energía eléctrica en mediana y baja tensión.

Es usado en capacitores (para este uso el papel es secado y tratado con parafina o cera, o bien se impregna al vacío con aceites minerales o sintéticos). También es usado en forma de estratificados (dispuestos en capas superpuestas o estratos) en planchas o tubos fabricados mediante resinas sintéticas o goma laca.

capacitor papel dielectrico
Capacitor con Papel Impregnado como Dielectrico

 

El papel está constituido por fibra de celulosa (C6H10O3)n elemento esencial de la estructura de la celulosa vegetal. En estado puro se presenta como una masa blanca, amorfa (el papel de fibra de lino, sometido a un proceso de blanqueado y no encolado, puede considerarse prácticamente como celulosa pura).

El papel mas fino es usado para elaborar capacitores, se lo hace tan fino como es posible, siempre compatible con las buenas propiedades de aislación eléctrica. Es usual aplicar varias capas de papel y raramente una sola, para que la presencia de pequeñas partículas conductoras no tengan mucha importancia. El papel de capacitores se elabora con espesores desde 7,5mm a 10mm. A los efectos de que no queden espacios vacíos en las estructuras del papel para capacitor éste se elabora con fibras cortas las que a su vez aseguran gran impermeabilidad. Por su parte la resistencia a la tracción es baja pero suficiente para soportar las tareas requeridas, o sea el arrollado sobre formas cilíndricas a alta velocidad.

El papel para cables es resistente y se usa en la aislación de cables de alta y media tensión, de transformadores, bobinas, etc.

Papel no Impregnado

Las propiedades eléctricas del papel no impregnado no son muy importantes. El papel no impregnado tiene una baja rigidez dieléctrica, solamente unas pocas veces mayor que la de una película de aire del mismo espesor. Esto es comprensible dado que en un papel de gran densidad (1,1 a 1,2gr/cm3) por lo menos el 20% del volumen del papel es ocupado por canales de aire, y con un papel de densidad media (0,7gr/cm3) el porcentaje de aire es de alrededor del 50%. Esta rigidez se puede estimar entre 6 y 11kV/mm (valor eficaz).

La constante dieléctrica relativa de la celulosa pura es de alrededor de  εr=6,5 y de la fibra de papel aproximadamente εr=5,5. La constante dieléctrica de un papel aumenta con el aumento del contenido de humedad, aumenta ligeramente con la temperatura y disminuye ligeramente con la frecuencia.Tiene una gran dependencia con la densidad, para densidades entre 0,6 a 1,12gr/cm3la constante dieléctrica varía de εr=1,7 a εr=3,2.

Hay gran divergencia entre los valores señalados por los distintos fabricantes, debido no solamente por el uso de diferentes técnicas de medida, sino también por diferencias en frecuencia, temperatura y principalmente contenido de humedad, la cual en el caso del papel es extremadamente difícil de definir y medir.

Papel Impregnado

No es posible dar detalles completo de las características dieléctricas del papel impregnado sin especificar completamente el tipo de impregnante, construcción de aislante, etc. Con un buen impregnante se obtienen muy altas resistividades (en corriente continua). En el caso del papel parafinado es 10000 TΩ·cm, y en el
caso de papel impregnado para cables se tienen valores de 300 a 500 MΩ-cm. Aunque esto disminuye 1000 veces a 100ºC de temperatura y hay una pequeña
disminución al aumentar el gradiente de potencia.

La rigidez dieléctrica del papel de uso eléctrico impregnado en sus formas comerciales es influenciado por factores tales como presión de electrodos, tipos de electrodos, presencia de cavidades gaseosas, etc. En los buenos papeles para cables se obtienen generalmente valores de rigidez de 200KV/mm.
La constante dieléctrica varía según la sustancia utilizada en la impregnación, valores normales son εr=2,5 a εr=3,5.

Principales Tipos de Papeles Aislantes

  • Papel Kraft: Obtenido de pasta química de madera, en espesores desde 0,05 a 0,15mm. Cuando es muy satinado se denomina Express. Se emplea como aislante en capas y para la fabricación de laminados fenólicos (resinas fenolicas).
  • Papel para capacitores: (papel Tisú). Se obtiene de pulpas de madera y fibras de algodón, en espesores de hasta 0,013mm. Su pureza debe ser máxima.
  • Papel Manila: Hecho con fibra de cáñamo en espesores de 0,05 a 0,1mm. Se denominan papel 100%Manila. También existen papeles con 60%Manila–40%Kraft o 50%Manila–50%Kraft.
  • Cartón Presspan: Se obtiene de pasta química de madera. Es un material muy denso y su rigidez dieléctrica es de 6KV/mm. Barnizado se logra8KV/mm. Se tiene en espesores de hasta 1,5 o 2mm.
  • Cartón Presboard: De pasta de madera y fibra de algodón; su rigidez varía de acuerdo a los espesores, normalmente es del orden de 11KV/mm.Se tiene en espesores de 0,2 a 12mm. Apto para impregnación en aceite.
  • Papel Japonés: Hecho con pulpa de la morera, es un papel finísimo y se emplea principalmente como soporte en la fabricación del papel micro–papel.

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Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Caucho. Material No Conductor Aislante

Caucho. Aislante y Dielectrico

La gran difusión del caucho como aislante eléctrico es debida a la combinación de sus buenas cualidades dieléctricas y mecánicas para usos corrientes, con características peculiares como la flexibilidad, la posibilidad de soportar notables deformaciones sin romperse, adquiriendo otra vez la forma primitiva, la resistencia a la abrasión, etc.

El caucho sintético ofrece también la posibilidad de resistencia a la acción de los aceites, del ozono y de las temperaturas elevadas.

Caucho Natural

Procedente de algunos árboles se obtiene el Látex, constituido por una dispersión coloidal de partículas de caucho. Tratada con ácido acético, esta dispersión se coagula, constituyendo el Pará en hojas o grumos. Para adquirir sus características bien conocidas, el caucho bruto se vulcaniza, tratamiento químico que consiste en calentarlo con azufre disperso en su masa a temperaturas comprendidas entre 110ºC y 170ºC, o tratarlo en frío con cloruro de azufre disuelto en sulfuro de carbono. El tanto por ciento de azufre introducido puede ser muy pequeño, generalmente oscila alrededor del 0,5% al 3%. El azufre añadido no se combina completamente; la parte que permanece libre se traslada lentamente a la superficie de los objetos de caucho bajo la forma de diminutos cristales parduscos.

caucho natural

A la mezcla se añaden sustancias de relleno, algunas de las cuales, como el negro de humo, confieren características especiales a los productos terminados (resistencia a la abrasión, etc.), mientras la mayor parte son materiales inertes (talco, yeso, caolín). Las mezclas adoptadas para el aislamiento de cables eléctricos contienen una cantidad mínima de relleno, que en otras aplicaciones alcanza hasta el 80%.

Las propiedades eléctricas de las mezclas resultan intermedias entre las de goma vulcanizada y las de sustancias de relleno. La constante dieléctrica tiene un valor próximo a e er=2,5; el factor de potencia de 4,5%, y la resistividad de masa en torno a 1015 W·dm, refiriéndose a la goma vulcanizada. Los mencionados valores resultan duplicados o
triplicados para la constante dieléctrica de una mezcla, mientras el factor de potencia puede llegar a ser 8 o 10 veces mayor. La resistividad no presenta variaciones notables.

Caucho Sintético

El primer tipo de caucho sintético fue el compuesto estirol–butadieno (Bunas) que tiene las características prácticamente iguales a las del caucho natural y se trata de forma análoga para la producción de objetos. Otros tipos de caucho sintético adoptados como dieléctricos son el isoprano–butileno (Butilgoma), el policloropreno (Neopreno P.C.P.) y la goma de silicona (Silastic). Todos estos cauchos sintéticos se vulcanizan, los dos primeros con azufre, los otros con óxidos metálicos.

caucho sintetico

La constante dieléctrica para todos los tipos de caucho oscila entre los límites ya mencionados para el caucho natural. El factor de potencia de la butilgoma y del caucho de silicona resulta aproximadamente una décima parte del correspondiente al caucho natural.

El caucho de silicona presenta una elevada hidrorrepulsión superficial, siendo muy resistente al ataque del ozono y pudiéndose trabajar, por consiguiente, en presencia de efluvios(efecto corona). Ininflamable y con cenizas no conductoras es adecuado para el aislamiento de conductores, para el ajustado de condensadores y transformadores y para el encapsulado en frío de dispositivos electrónicos.

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Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC