Dieléctrico Aislante y Magnetismo

Dieléctrico Aislante y Magnetismo

Dieléctrico aislante

Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho material en un conductor es la permitividad eléctrica del vacío.

Diferencia entre aislante y dieléctrico

Algunos aislantes cuando son sometidos a un campo eléctrico exterior presentan la propiedad de que puede establecerse en ellos un campo eléctrico interno como consecuencia de una polarización dieléctrica. A estos materiales se les llama dieléctricos.

Propiedades básicas de los dieléctricos La constante dieléctrica. Los materiales dieléctricos como el BaTiO3 son aislantes capaces de polarizarse y por tanto de aumentar la capacidad en un condensador. Así utilizando materiales con constantes dieléctricas muy elevadas se pueden conseguir pequeños condensadores con capacidades muy altas.

La rigidez dieléctrica. Esta viene definida como el máximo voltaje por unidad de longitud que se puede aplicar a las placas sin que el dieléctrico sufra ningún fallo. Un aislante no puede soportar una tensión ilimitadamente alta sin llegar a estropearse.

Factor de pérdida de un dieléctrico.

Cuando un material dieléctrico es polarizado en un campo eléctrico alterno, algo de energía se pierde en forma de calor. La energía perdida durante cada alternancia es la perdida dieléctrica.

Mecanismo de ruptura térmica:

A bajas tensiones eléctricas el dieléctrico alcanza una cierta temperatura de operación con relativa rapidez. Si las conducciones de operación se hacen mas intensas con relación a V reincrementara la temperatura de régimen en el dieléctrico, aumentara su conductividad eléctrica, las perforaciones y fugas, aunque todavía no lleguen a ser importantes. Tensiones mucho mayores producen un aumento continuado de la temperatura que se transmite mal hacia el exterior y se acumula como energía térmica. La resistibidad eléctrica disminuye y se van promoviendo a gran escala la fuga de corriente y la perforación del material.

Influencia de la T sobre el factor de disipación A una cierta T este factor se dispara como consecuencia de la agitación térmica que desfavorece la orientación de los dipolos y por tanto incrementa el ángulo de desfase.

Piezo electricidad:

Cuando ciertos materiales son sometidos a esfuerzos de compresión, exhiben lo que se conoce como efecto piezoeléctrico directo. Dichos esfuerzos provocan el cambio dimensional de la muestra reduciéndose la distancia entre los dipolos unitarios. Dicho cambio hace que varíe la densidad de carga en los extremos de la muestra y se genera un voltaje. Por otra parte si se aplica un campo eléctrico a través de los extremos de la muestra, se dará el efecto piezoeléctrico inverso, también llamada electrostricción. El titanato de bario, el circonato de plomo (Pb Cr O3) y tritanato de plomo Pb TiO3) presenta un amplio rango de propiedades piezo electricas incluyendo una alta temperatura de Curie.

Ferro electricidad este fenómeno aparece en ciertos materiales dieléctricos y consiste en la retención de la polarización inducida por un campo eléctrico externo, una vez desaparecido este. Estos materiales, lógicamente, tienen que tener dipolos permanentes esto ocurre en materiales cuyos cristales carecen de centro de simetría (Ba Ti O3). Cuando se aplica un campo los dipolos empiezan a alinearse con el campo hasta estarlo (polarización de saturación) Si disminuimos la intensidad hasta anular el campo el material retiene gran parte de polarización inducida, recibiendo el nombre de polarización permanente.

Campo coescitivo:

Cuando teniendo una Pr se aplica un campo de polaridad contraria la polarización disminuye conforme el campo aumenta con su signo negativo, hasta que se anula la polarización para un valor de campo denominado campo coescitivo. A temperatura ambienta Ba Ti O3 presenta una estructura ligeramente tetragonal. La separación de cargas justifica la existencia de un momento dipolar permanente asociado con cada celdilla unidad. A T ambiente la constante dieléctrica es baja pero cuando T se aumenta hasta 100ºC la constante dieléctrica aumenta hasta los 120ºC donde alcanza la máxima capacidad de polarización. A partir de esta temperatura un ligero aumento de T produce una gran disminución del valor de la constante dieléctrica.

El campo magnético será la suma del campo del propio solenoide (H) y el campo generado por la magnetización del material colocado dentro del selenoide. El momento magnético inducido por unidad de volumen debido a la barra se denomina magnetización.

La constante u se denomina permeabilidad magnética y es la facilidad con la que un campo magnético externo de intensidad H puede inducir un flujo magnético de densidad B en un material determinado B=u.H

Magneton de Bohr.

Se produce en aquellos materiales sólidos en las que cada átomo posee un momento magnético permanente. En ausencia de un campo magnético aplicado, las orientaciones de momentos, son al azar, de tal manera que el material no posee una magnetización permanente. Al aplicar un campo, los momentos se alinean en la dirección de este y dan origen a una permeabilidad relativa uR myar que la unidad y a una pequeña positiva susceptibilidad magnética () por lo que la magnetización resulta positiva.

El campo aplicado (inversa) para anular la inducción recibe el nombre de fuerza coescitiva (Hc)

El comportamiento ferromagnético se debe a que los momentos magnéticos de los electrones desapareados 3d (Fe Co y Ni) se alinean en una dirección paralela al campo aplicado para un fenómeno de magnetismo espontaneo en regiones denominadas dominios magnéticos. Si estos dominios se encuentran alineados aleatoriamente, no existe magnetización neta. La alineación paralela de los dipolos se produce siempre que la energía de cambio entre ellas sea positiva. Los elementos que cumplen esa condición son el Fe el Co y el Ni y no se da en el Mn ni en el Gr a pesar de tener también electrones 3d. Aunque tienen un momento magnético por átomo distinto de cero, cuando se forma el solido todos los momentos magnéticos se cancelan entre si.

El antiferromagnetismo tiene lugar en algunos materiales que, en presencia de un campo magnético, los dipolos magnéticos de los átomos se alinean por si mismos en direcciones opuestas dando lugar a una magnetización nula

Todos los materiales ferromagnéticos tienen una temperatura critica por encima de la cual dejan de ser ferromagnéticos convirtiéndose en paramagneticos (se llama temperatura de Curie) Tc

Influencia de la temperatura Cuando una muestra de un material ferromagnético se calienta a una T>Tc la energía de intercambio positiva responsable de la alineación paralela de los dipolos magnéticos es equilibrada por la energía térmica, por lo que el material presentara un comportamiento paramagnético. Si mas tarde esta muestra se enfría por debajo de la Tc los dipolos magnéticos se alinearan paralelamente y el material presentara un comportamiento ferromagnético.

Teoría de dominós magnéticos: 

Si se parte de un material desmagnetizado (B=0) conforme aumenta H aumenta B hasta que se alcanza el valor de saturación (Bs) En la curva aparecen tres zonas en las que los átomos del material sufren distinto comportamiento. Conforme aumenta el campo, los átomos adyacentes (pertenecientes a zonas distintas) van orientando sus momentos magnéticos en la dirección del campo. Conforme aumenta la magnetización va aumentando la región donde los momentos de los dipolos magnéticos de los átomos están inicialmente paralelos al campo aplicado.

Magnetostricción: 

Cuando se magnetiza un material ferromagnético sus dimensiones cambian y la muestra se expande o contrae. Por otro lado, si se somete a un material ferromagnético a un cambio dimensional se puede generar una magnetostricción.

 Este cambio dimensional reversible e inducido magneticamente se denomina magnetostricción