La cantidad de carga que puede colocarse en un conductor en
gran mediad esta determinada por la rigidez dieléctrica del medio circundante.
De forma similar, la rigidez dieléctrica del material situado entre las placas
de un condensador limita su capacidad para almacenar carga. La mayor parte de
los condensadores tiene entre las placas un material no conductor, llamado
dieléctrico, para proporcionar una rigidez dieléctrica mayor que la del aire.
He aquí una de las ventajas de ello:
- Un material dieléctrico proporciona una pequeña separación de las placas sin que hagan contacto.
- Un dieléctrico aumenta la capacitancia de un condensador.
- Se puede usar altos voltajes sin peligro de que el dieléctrico alcance el punto de ruptura.
- Un dieléctrico a menudo proporciona una mayor resistencia mecánica.
Entre los materiales dieléctricos comunes se puede mencionar la mica, el
papel parafinado, cerámica y los plásticos. Se puede arrollar hojas alternadas
de chapa metálica y papel parafinado para fabricar un condensador compacto, con
una capacitancia de varios microfarads.
Para entender el efecto de un dieléctrico, consideramos el material
aislante de la figura que se muestra,
colocando entre las placas de un condensador que tiene una diferencia de
potencia V. los electrones en el dieléctrico no tienen la libertad de dejar sus
átomos correspondientes, pero sui desplazarse ligeramente hacia la placa
positiva. Los protones y los electrones de cada átomo se alinean del modo que
se indica en la figura. Se dice que el material se ha polarizado y que los
átomos forman dipolos. Todas las cargas positivas y negativas dentro de la
elipse punteada de la figura se neutralizan entre sí. Sin embargo, una carga
negativa sobre una superficie y una capa de carga positiva sobre la otra no se
neutraliza. Se establece un campo eléctrico ED en
el dieléctrico que se opone al campo E0 el
cual existirá aun sin el dieléctrico. La invencida del campo resúltate es:
Por lo tanto, la inserción de un dieléctrico
origina una reducción en la intensidad del campo eléctrico,
V = Ed, una reducción en la
intensidad causara una caída en la diferencia de potencial. Este hecho se
ilustra con el ejemplo del a figura siguiente, la inserción de un dieléctrico
origina una divergencia en la hoja de oro del electroscopio.
A partir de definición de
capacitancia, C = Q/V, se observa que una caída en el voltaje da por resultado
un incremento en la capacitancia. Si representamos la capacitan antes de
insertar un dieléctrico por medio de C0 y
la capacitancia después de la inserción por C, la razón C/C0 mostrara el incremento relativo en la
capacitancia. Si bien es cierto que esta razón varia según el material empleado, su valor es constante
para un dieléctrico en particular.
La
constante dieléctrica K para un material concreto se define como la razón de la
capacitancia C de un condensador de
acuerdo con el material que hay entre sus placas y la capacitancia C0 en el vació.
La constante dieléctrica de
diversos materiales aparece en la tabla junto con la rigidez dieléctrica de los
mismos materiales. Observe que, en el caso del aire, K tiene un valor de 1.0
aproximadamente.
Con base en las proporcionalidades, se demuestra que la constante
dieléctrica también puede expresarse así:
A partir en a ecuación, la
capacitancia C de un condensador que tiene un dieléctrico entre sus placas es
Sustituyendo la ecuación tenemos
una relación para calcular directamente C:
donde A es el area de las placas y d es su separacion.
La constante ya ha sido definida
anteriormente como la permisividad en el vació. Recuerde que al analizar la ley
de Gauss vimos que €0 es una realidad la
constante de proporcionalita que relaciona la densidad de las líneas del campo
eléctrico con la intensidad del campo eléctrico en el vació. La permisividad de
€ de un dieléctrico es mayor que €0 por un
factor igual a la constante dieléctrica K. en consecuencia
Con base en esta relación se
entiende porque la constante dieléctrica, K= €/€0,
se conoce a veces como la permisividad
relativa. Cuando sustituimos la ecuación anterior en la ecuación anterior a
esa, la capacitancia para un condensador que contiene un dieléctrico es
simplemente
Esta relación es la ecuación más
general para calcular la capacitancia. Cuando hay espacio vacío o aire entre
las placas del condensador €=€0.
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