Perdidas en los Materiales No Conductores

Los Materiales No Conductores no son perfectos y presentan perdidas (energia que se transforma en calor), se clasifican en perdidas por conductividad electrica y perdidas dielectricas…

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.

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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

8 thoughts on “Perdidas en los Materiales No Conductores”

  1. Muy bueno el artículo. Después de haberlo leído, comprendo mas a fondo, hasta que punto radica la importancia en la confección de capacitores, condensadores, resistencias y transistores, dado
    que dependiendo de su naturaleza, de su
    construcción, etc. existirá un pasaje o
    limitación de corriente, dependiendo, además, de
    la naturaleza de esa corriente.

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