QUÈ ÉS LA CONSTANT DIELÈCTRICA? - FÍSICA - 2025

La constant dielèctrica és un valor associat a l'material que es col·loca entre les plaques d'un capacitor (o condensador - Figura 1) i que permet optimitzar i augmentar la seva funció. (Giancoli, 2006). Dielèctric és sinònim d'aïllant elèctric, és a dir, són materials que no permeten el pas de corrent elèctric.

Aquest valor és important des de molts aspectes, ja que per a tots és comú usar equips elèctrics i electrònics a les nostres cases, espais recreatius, educatius o llocs de treball, però segurament desconeixem els complicats processos que es donen en aquests equips per poder funcionar.

Figura 1: Diferents tipus de condensadors.

Per exemple, els nostres minicomponentes, televisors i aparells de multimèdia, utilitzen corrent directe per a les seves funcions, però els corrents domèstiques i industrials que arriben a les nostres cases i llocs de treball són corrents alterns. Com és això possible ?.

Figura 2: Circuit elèctric d'un equip domèstic

La resposta a aquesta interrogant està dins dels mateixos equips elèctrics i electrònics: els condensadors (o condensadors). Aquests components permeten, entre altres coses, fer possible la rectificació del corrent altern a corrent continu i la seva funcionalitat depèn de la geometria o forma de l'capacitor i de l'material dielèctric present en el seu disseny.

Els materials dielèctrics són molt importants, ja que permeten apropar moltíssim les plaques que componen el capacitor, sense que es toquin, i cobrir totalment l'espai entre aquestes plaques amb material dielèctric per augmentar la funcionalitat dels condensadors.

Origen de la constant dielèctrica: els condensadors i els materials dielèctrics

El valor d'aquesta constant és un resultat experimental, és a dir, prové de les experimentacions realitzades amb diferents tipus de materials aïllants i resultant en el mateix fenomen: augment de la funcionalitat o eficiència d'un capacitor.

Els condensadors tenen associats una magnitud física anomenada capacitància "C" i que defineix la quantitat de càrrega elèctrica "Q" que pot emmagatzemar un condensador a l'subministrar certa diferència de potencial "ΔV" (Equació 1).

(Equació 1)

Els experiments han conclòs en què a l'cobrir completament l'espai entre les plaques d'un capacitor amb un material dielèctric, els condensadors augmenten la seva capacitància per un factor κ, denominat "constant dielèctrica". (Equació 2).

(Equació 2)

A la figura 3 es presenta una il·lustració d'una capacitor de capacitància C de plaques pla paral·leles carregat i, en conseqüència, amb un camp elèctric uniforme dirigit cap avall entre les seves plaques.

A la part superior de la figura està el capacitor amb buit entre les seves plaques (vacuum - de permitivitat ε0). Després, a la part inferior, es presenta el mateix capacitor amb capacitància C '> C, amb un dielèctric entre les seves plaques (de permitivitat ε).

Figura 3: Capacitor de plaques planoparalelas sense dielèctric i amb dielèctric.

Figueroa (2005), enumera tres funcions per als materials dielèctrics en els condensadors:

1. Permeten una construcció rígida i compacta amb una separació petita entre les plaques conductores.
2. Permeten que es pugui aplicar un major voltatge sense que causi una descàrrega (el camp elèctric de ruptura és més gran que el de l'aire)
3. Augmenta la capacitància de l'capacitor en un factor κ conegut com a constant dielèctrica de l'material.

Així, l'autor indica que, κ "s'anomena constant dielèctrica de l'material i mesura la resposta dels seus dipols moleculars a un camp magnètic extern". És a dir, la constant dielèctrica és més gran com més gran sigui la polaritat de les molècules de l'material.

Models atòmics dels dielèctrics

Els materials presenten, en general, arranjaments moleculars específics que depenen de les molècules en si mateixes i els elements que les constitueixen en cada material. Entre els arranjaments moleculars que intervenen en els processos dielèctrics hi ha el de les denominades "molècules polars" o polaritzades.

En les molècules polars, hi ha una separació entre la posició mitjana de les càrregues negatives i la posició mitjana de les càrregues positives, fent que tinguin pols elèctrics.

Per exemple, la molècula d'aigua (Figura 4) té una polarització permanent perquè el centre de la distribució de càrrega positiva està en el punt mig entre els àtoms d'hidrogen. (Serway i Jewett, 2005).

Figura 4: Distribució de la molècula d'aigua.

Mentre que en la molècula d'el BeH2 (hidrur de beril·li - Figura 5), ​​molècula lineal, no es presenta cap polarització, ja que el centre de distribució de càrregues positives (hidrògens) es troba al centre de distribució de càrregues negatives (beril·li), anul·lant qualsevol polarització que pugui existir. Aquesta és una molècula no polar.

Figura 5: Distribució d'una molècula d'hidrur de beril·li.

En el mateix ordre d'idees, quan un material dielèctric es troba en presència d'un camp elèctric E, les molècules s'alinearan en funció de el camp elèctric, originant una densitat de càrrega superficial en les cares de l'dielèctric que s'enfronten a les plaques de l'capacitor.

A causa d'aquest fenomen, el camp elèctric dins el dielèctric és menor a el camp elèctric extern generat pel capacitor. En la següent il·lustració (figura 6) es mostra un dielèctric polaritzat elèctricament dins d'un capacitor de plaques planoparalelas.

És important notar que aquest fenomen resulta amb més facilitat en els materials polars que en els no polars, a causa de l'existència de molècules polaritzades que interactuen amb major eficiència en presència de camp elèctric. Encara que, la sola presència de camp elèctric provoca la polarització de les molècules nopolares, derivant en el mateix fenomen que amb els materials polars.

Figura 6: Models de les molècules polaritzades d'un dielèctric causa de el camp elèctric originat en el capacitor carregat.

Valors de la constant dielèctrica en alguns materials

Depenent de la funcionalitat, economia i utilitat última dels condensadors, s'utilitzen materials aïllants diferents per optimitzar el seu funcionament.

Materials com el paper són molt econòmics, tot i que poden fallar amb altes temperatures o a l'contacte amb aigua. Mentre que l'hule, segueix sent mal·leable però més resistent. També tenim la porcellana, que resisteix altes temperatures tot i que no pot adaptar-se a diferents formes segons es necessiti.

A continuació es presenta una taula on s'especifica la constant dielèctrica d'alguns materials, on les constants dielèctriques no té unitats (són adimensionals):

Taula 1: Constants dielèctriques d'alguns materials a temperatura ambient.

Algunes aplicacions dels materials dielèctrics

Els materials dielèctrics són importants en la societat global amb una àmplia gamma d'aplicacions, des comunicacions terrestres i de satèl·lit que inclouen programari de ràdio, GPS, monitorització ambiental a través de satèl·lits, entre d'altres. (Sebastian, 2010)

A més, Fiedziuszko i altres (2002) descriuen la importància dels materials dielèctrics per al desenvolupament de la tecnologia sense fils, fins i tot per a la telefonia cel·lular. En la seva publicació descriuen el rellevant d'aquest tipus de materials en la miniaturització dels equips.

En aquest ordre d'idees, la modernitat ha generat una gran demanda de materials amb constants dielèctriques altes i baixes per al desenvolupament d'una vida tecnològica. Aquests materials són components essencials per als dispositius d'internet pel que fa a les funcions d'emmagatzematge de dades, comunicacions i l'acompliment de les transmissions de les dades. (Nalwa, 1999).

referències

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, I., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielectric materials, devices, and circuits. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interacció Elèctrica. Caracas, Veneçuela: Miguel Ángel García i Fill, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FÍSICA. Principi amb aplicacions. Mèxic: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Handbook of low and high DIELECTRIC constant materials and their applications, two-volume set. Elsevier.
5. Sebastià, MT (2010). Dielectric materials for wireless communication. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Física per a Ciències i Enginyeria. Mèxic: International Thomson Editors.