Los conductores y los dieléctricos son sustancias físicas que tienen diferentes grados de conductividad eléctrica y reaccionan de forma diferente a los efectos de un campo eléctrico. Las propiedades de los materiales opuestos se utilizan ampliamente en todas las áreas de la ingeniería eléctrica.
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Qué son los conductores y los dieléctricos
Conductores - son sustancias con cargas eléctricas libres que pueden moverse aleatoriamente bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Tales características las poseen:
- metales y sus fundidos;
- carbono natural (hulla, grafito);
- electrolitos - soluciones de sales, ácidos y álcalis;
- gas ionizado (plasma).
Principales propiedades de los materialesLas cargas libres - los electrones en los conductores sólidos y los iones en las soluciones y fusiones, moviéndose por todo el volumen de un conductor conducen una corriente eléctrica. Cuando se aplica una tensión eléctrica a un conductor, se crea una corriente conductora. La resistencia específica y la conductividad eléctrica son los principales indicadores de un material.
Las propiedades de los materiales dieléctricos son las opuestas a las de un conductor electricidad. Dieléctricos (aislantes) están formados por átomos y moléculas neutras. No tienen la capacidad de mover partículas cargadas bajo la influencia de un campo eléctrico. Los dieléctricos en un campo eléctrico acumulan cargas no compensadas en su superficie. Forman un campo eléctrico que se dirige al interior del aislante, se produce la polarización del dieléctrico.
Como resultado de la polarización, las cargas en la superficie del dieléctrico tienden a reducir el campo eléctrico. Esta propiedad de los materiales aislantes se denomina constante dieléctrica del aislante.
Características y propiedades físicas de los materiales
Los parámetros de los conductores determinan su campo de aplicación. Las principales características físicas son:
- Resistividad eléctrica: caracteriza la capacidad de una sustancia para impedir el paso de la corriente eléctrica;
- El coeficiente de temperatura de la resistencia es un valor que caracteriza la variación del índice en función de la temperatura;
- Conductividad térmica: es la cantidad de calor que atraviesa una capa de material por unidad de tiempo;
- diferencia de potencial de contacto: se produce cuando dos metales distintos entran en contacto, se utiliza en termopares para medir la temperatura;
- Resistencia a la tracción y alargamiento - depende del tipo de metal.
Cuando se enfría a temperaturas críticas, la resistividad del conductor tiende a cero. Este fenómeno se llama superconductividad.
Las propiedades que caracterizan a un conductor son:
- Eléctrica: resistencia y conductividad eléctrica;
- químico - interacción con el medio ambiente, resistencia a la corrosión, capacidad de unión mediante soldadura;
- físico - densidad, punto de fusión.
La peculiaridad de los dieléctricos es resistir la influencia de la corriente eléctrica. Propiedades físicas de los materiales aislantes:
- Permisividad dieléctrica: capacidad de los aislantes de polarizarse en un campo eléctrico;
- resistencia volumétrica específica;
- fuerza eléctrica;
- factor de disipación.
Los materiales aislantes se caracterizan según los siguientes parámetros:
- eléctrico - valor de la tensión de ruptura, fuerza eléctrica;
- física - resistencia térmica;
- química - solubilidad en agentes agresivos, resistencia a la humedad.
Tipos y clasificación de los materiales aislantes
Los aislantes se dividen en grupos según varios criterios.
Clasificación por estado de la materia agregada:
- sólidos - vidrio, cerámica, amianto;
- líquido - aceites vegetales y sintéticos, parafina, gas licuado, dieléctricos sintéticos (compuestos de silicio y organofluorados, refrigerante, freón);
- gaseosos: aire, nitrógeno e hidrógeno.
Los dieléctricos pueden ser de origen natural o artificial, de naturaleza orgánica o sintética.
Los materiales aislantes orgánicos naturales son los aceites vegetales, la celulosa y el caucho. Se caracterizan por su baja resistencia térmica y a la humedad y por su rápido envejecimiento. Materiales orgánicos sintéticos: varios tipos de plástico.
Los dieléctricos inorgánicos de origen natural son: la mica, el amianto, la moscovita y la flogopita. Estos materiales son resistentes a los ataques químicos y pueden soportar altas temperaturas. Los materiales dieléctricos inorgánicos artificiales son el vidrio, la porcelana y la cerámica.
Por qué los dieléctricos no conducen la electricidad
La baja conductividad se debe a la estructura de las moléculas dieléctricas. Las partículas de la materia están fuertemente unidas, sin poder salir de los límites del átomo y moviéndose por todo el volumen de la materia. Bajo la influencia de un campo eléctrico, las partículas atómicas son capaces de aflojarse ligeramente, de polarizarse.
Según el mecanismo de polarización, los materiales dieléctricos se dividen en
- no polares - sustancias en diferentes estados de agregación con polarización electrónica (gases inertes, hidrógeno, poliestireno, benceno);
- polares - tienen relajación de dipolos y polarización de electrones (diferentes resinas, celulosa, agua);
- Iónicos - dieléctricos inorgánicos sólidos (vidrio, cerámica).
Las propiedades dieléctricas de una sustancia no son constantes. Bajo la influencia de una temperatura o una humedad elevadas, los electrones se desprenden del núcleo y adquieren las propiedades de las cargas eléctricas libres. Las propiedades aislantes del dieléctrico se reducen entonces.
Un dieléctrico fiable es un material con una baja corriente de fuga que no supera un valor crítico y no interfiere en el funcionamiento del sistema.
Cuando se utilizan dieléctricos y conductores
Los materiales se utilizan en todos los ámbitos de la actividad humana que implican el uso de la corriente eléctrica: la industria, la agricultura, la instrumentación, las redes eléctricas y los electrodomésticos.
La elección del conductor viene determinada por sus características técnicas. Los productos de plata, oro y platino tienen la menor resistividad. Su uso está restringido a las aplicaciones espaciales y militares debido a su elevado coste. El cobre y el aluminio son menos conductores, pero su relativo abaratamiento ha llevado a su uso generalizado como cables y alambres.
Los metales puros sin impurezas conducen mejor la corriente, pero en algunos casos es necesario utilizar conductores con alta resistividad - para la producción de reóstatos, hornos eléctricos, dispositivos de calefacción eléctrica. Para ello se utilizan aleaciones de níquel, cobre y manganeso (manganina, constantan). La conductividad eléctrica del tungsteno y el molibdeno es 3 veces menor que la del cobre, pero sus propiedades se utilizan ampliamente en la producción de lámparas eléctricas y dispositivos de radio.
Los dieléctricos sólidos son materiales que garantizan la seguridad y el buen funcionamiento de los elementos conductores. Se utilizan como material aislante eléctrico, impidiendo la fuga de corriente, aislando los conductores entre sí, del cuerpo del aparato, de la tierra. Un ejemplo de estos productos son los guantes dieléctricos, descritos en nuestro artículo.
Los dieléctricos líquidos se utilizan en condensadores, cables de alimentaciónLos materiales se utilizan en los circuitos de refrigeración de los turbogeneradores y los interruptores de aceite de alta tensión. Los materiales se utilizan como rellenos e impregnadores.
Materiales aislantes gaseosos. El aire es un aislante natural que también sirve para disipar el calor. El nitrógeno se utiliza en lugares donde los procesos de oxidación son inaceptables. El hidrógeno se utiliza en potentes generadores con gran capacidad calorífica.
Los conductores y los dieléctricos trabajan en armonía para garantizar un funcionamiento seguro y estable de los equipos y las redes eléctricas. La elección de un elemento concreto para una tarea determinada depende de las propiedades físicas y los parámetros técnicos de la sustancia.
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