Unidad9

Unidad
9
CARACTERISTICAS
DIELECTRICAS Y AISLANTES DE LOS MATERIALES
1
PRESENTACION
El diseño óptimo de un componente no conductor de la corriente eléctrica requiere
el compromiso de una buena conformación, de acuerdo a las funciones específicas para la que se
destina, y el buen dimensionamiento, de acuerdo con la adecuada selección del material.
La importancia del estudio de las propiedades dieléctricas de los materiales es tan
importante como las conductoras. A nuestro alrededor podemos ver cables eléctricos de alta y
baja tensión protegidos por materiales poliméricos, al igual que cables coaxiales blindados contra
interferencias, tarjetas y soportes de circuitos impresos e integrados híbridos, aislantes exteriores
de componentes: resistencias, condensadores, diodos, transistores, varistores, circuitos integrados;
revestimientos de elementos de contacto con líneas de tendido eléctrico y tomas de
instrumentación electrónica, protección aislante del bobinado de motores y transformadores de
energía eléctrica.
En los materiales aisladores de la corriente eléctrica, son varios los índices que cuantifican
y cualifican su elección para el diseño de elementos aisladores. Estos son: resistividad, constante
dieléctricas, rigidez dieléctrica, factores de pérdida y calidad. Evidentemente, otras
propiedades interesantes que completan el cuadro calificador de estos materiales serían las
características resistentes, térmicas y contra la degradación.
La unidad que dedicamos a las características dieléctricas de los materiales presenta como
OBJETIVOS estudiar el fenómeno del aislamiento eléctrico y la determinación experimental
de las propiedades dieléctricas y los parámetros que influyen en dicho comportamiento.
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Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales
2
INDICADORES DEL AISLAMIENTO ELECTRICO
Mencionamos en este capítulo las propiedades principales que definen a un aislante
eléctrico o un dieléctrico, indicadores del comportamiento en los circuitos eléctricos y
electrónicos. La selección y el dimensionamiento requieren el conocimiento de los índices que
califican y cuantifican las cualidades de cada uno de los materiales alternativos para esos
componentes.
2.1
RESISTIVIDAD ELECTRICA.
La resistividad eléctrica también es otro de los parámetros investigados para la
cualificación de un material aislante. Son dos los indicadores de resistividad: transversal o
volumétrica y la superficial.
Si sobre una superficie se colocan dos electrodos a diferente potencial, circulará una
corriente eléctrica por esa superficie y por el interior del material. Esta resistencia comprende
tanto la que ofrece la superficie como la del interior del material. Dicha resistencia aumenta al
disminuir el espesor de la probeta, la anchura de los electrodos o el voltaje entre éstos. Los datos
de resistividad superficial son comparables cuando el ensayo se realiza en iguales condiciones.
Dicho indicador, rS viene dado por la ecuación:
ρS =
π dM
g
RS
(9.1)
siendo RS la resistencia superficial, dM y g el diámetro y anchura del electrodo, respectivamente,
definidos según la norma DIN 50014-23. La mayoría de los materiales plásticos muestran
resistividades superficiales de 1010 y 1016 Ω.
El concepto de resistividad transversal o volumétrica, ya definido en otras unidades, hacía
referencia a la resistividad interna de un material. En el caso de aislantes para ingeniería, la
resistividad de éstos varía entre 1010 y 1020 Ωcm.
2.2
RIGIDEZ DIELECTRICA
En los criterios técnicos de cualificación de los materiales aislantes está la
magnitud rigidez dieléctrica ER. Expresa la resistencia de un material a ser perforado por una
corriente cuando es sometido a una tensión eléctrica.
ER =
VR
d
(9.2)
De la ecuación 9.2, en la que VR es la mayor diferencia de potencial soportada antes de
ruptura y d el espesor de dieléctrico, se desprende que ER es el máximo gradiente de potencial que
resiste sin que se genere en su interior un flujo eléctrico. Este indicador es inversamente
proporcional al espesor, por lo que materiales gruesos manifiestan menores valores de rigidez
dieléctrica. Los materiales aislantes industriales tienen una rigidez dieléctrica superior a 10
KV/cm, tomándose como muy buenos a partir de 100 KV/cm.
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Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales
INDICADORES DEL COMPORTAMIENTO DIELECTRICO
3
3.1
CONSTANTE DIELECTRICA
La constante dieléctrica ε es una magnitud
física que nos cuantifica la capacidad de un material
para acumular carga eléctrica, y por tanto energía,
entre dos placas metálicas (armaduras del
condensador).
Si la referimos respecto a la del vacío (ε0 =
8'854 10-12 C2/Nm2), nos permite ver de una manera
mas gráfica la aptitud de los diferentes materiales
aislantes a operar como dieléctricos en un
componente capacitor, figura 9.1, en términos de
constante dieléctrica relativa εr, según la ecuación
9.3:
εr =
Hilo de plomo para soldadura
de electrodos de plata
Soldadura
Recubrimiento
de baño fenólico
Dieléctrico
cerámico
Electrodos de plata depositados en la parte
superior e inferior de un disco cerámico
Figura 9.1 Esquema de un condensador, con
armaduras, dieléctrico y empaquetadura.
ε
ε0
(9.3)
Los dieléctricos industriales muestran constantes dieléctricas relativas entre 2 y 15,
mientras que en los dieléctricos captadores y sensores va desde 30 a varios miles.
3.2
FACTOR DE DISIPACION
UR = R s I
ϕ
δ
UC =
I
ω C
U=ZI
Rs
ϕ
δ
1
Z
ω C
Figura 9.2. Relación entre tensión,
intensidad y ángulos de pérdidas en un
capacitor.
Las pérdidas de energía de un condensador, WR, en
sucesivos ciclos de carga-descarga está relacionada con el
comportamiento al respecto del dieléctrico del condensador.
Un indicador de esas pérdidas nos la registra el factor de
disipación D.
La relación entre D y las pérdidas entre las armaduras
de un condensador se establece a través del ángulo de
pérdidas δ, que nos indica una cierta desviación del desfase
entre tensión U y la corriente eléctrica I a la que opera el
dieléctrico del condensador, figura 9.2, respecto a un
dieléctrico ideal con pérdidas energéticas 0. Así tendríamos
para el factor de disipación la expresión:
W R = U I D siendo D = tan δ
(9.4)
Excelentes factores de disipación o de pérdidas son del
orden o inferiores a 10-3. Valores aceptables estarían en el
intervalo de 10-2 a 10-3, mientras que a partir de la centésima,
la disipación de energía eléctrica se torna como un elemento
en contra de la selección del material dieléctrico. El factor de
calidad Q de un condensador es otro de los parámetros
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habituales para la cualificación técnica del dieléctrico. Así como el de disipación está ligado a la
potencia reactiva del condensador, el de calidad lo es a la potencia activa a través del ángulo de
potencia ϕ, por lo que se cumplirá:
Q = tan ϕ
(9.5)
de manera que candidatos a dieléctricos de excelente calidad pueden ser aquellos con valores de
Q > 1.000, aceptables los de Q > 100 y con ciertos inconvenientes los de Q < 100. Este factor es
exactamente el inverso del de disipación.
4
ENSAYOS PARA
INDICADORES
LA
DETERMINACION
DE
LOS
En este apartado se describen algunas técnicas experimentales para la determinación de
los parámetros indicadores del comportamiento dieléctrico. También haremos mención a la
estructura electrónica de los aislantes, justificando de forma teórica el comportamiento eléctrico
no conductor, en contraposición al de los materiales conductores y semiconductores.
4.1
DETERMINACION DE LA RESISTIVIDAD
La
determinación
de
la
resistividad en los aislantes se realiza bajo
idénticos fundamentos que en el caso de
metales y semiconductores. Se tiene en cuenta
el factor geométrico y la resistencia eléctrica
medida en un equipo - puente de alta resistencia
eléctrica (Teraóhmetros, figura 9.3). Existen
algunas peculiaridades. El puente debe someter
la muestra a d.d.p. importantes y ser capaz de
medir bajas corrientes de fuga, o disponer de un
rango alto de resistencias patrón para equilibrar
la resistencia de la muestra en el puente.
Las probetas se definen con un factor
geométrico en el que el espesor sea
numéricamente inferior a la superficie,
pudiendo ser éstas circulares o rectangulares,
excepto que se disponga algún requisito
normalizado.
Figura 9.3. Teraóhmetro.
4.2
DETERMINACION DE LA CONSTANTE DIELECTRICA
La constante dieléctrica de un material aislante es posible determinarla mediante un
puente de impedancias como el de la figura 9.4. Existe una relación entre la capacidad del
condensador, la constante dieléctrica del material aislante y el factor geométrico del mismo,
que podemos encontrar en la ecuación:
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Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales
C = ε
S0
d
(9.6)
en la que S0 es la superficie del material
aislante en contacto con las armaduras del
condensador, d el espesor de material y ε,
la constante dieléctrica absoluta del
material, igual al producto εrε0.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
a) Elaborar probetas, p.e. resina curada
epoxi (EP). El factor geométrico
queda fijado con la superficie del
electrodo de ensayo y el espesor de la
muestra.
Figura 9.4. Puente de impedancias LCR para medida de indicadores
de propiedades dieléctricas.
b) Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo.
c) Realizada la lectura, repetir el procedimiento para verificar el valor de la capacidad.
d) Tabulación y tratamiento de los datos experimentales para el cálculo de la resistividad.
4.3
DETERMINACION DE FACTORES DE DISIPACION Y CALIDAD
En un dieléctrico ideal se cumple que la intensidad de corriente se adelanta a la
tensión en 90° (π/2). Los materiales dieléctricos reales se apartan del comportamiento ideal ya
que experimentan pérdidas de energía a través de ellos durante la carga y descarga de las
armaduras del correspondiente condensador. La intensidad no llega a adelantarse en esos 90° de
manera que:
ϕ + δ =
π
2
(9.7)
Cuanto mayor es el ángulo de pérdidas δ, mayores serán las pérdidas y la potencia
reactiva. Siempre será importante el factor de disipación, en la selección de un material
dieléctrico para condensadores.
Otra forma de abordar la capacidad dieléctrica de un material es con el factor de calidad.
Nos indica cuanto de esos 90° de defase entre I y V es aprovechable como potencia activa. Se
puede llegar a demostrar que la relación existente entre ambos factores es de proporcionalidad
inversa:
tg ϕ =
1
tg δ
⇒
Q =
1
D
(9.8)
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
Los puentes de impedancias no solo nos permiten medir el efecto capacitivo de un
material que opera como dieléctrico, sino que en función de su mas o menos sofisticada
electrónica, nos aporta directamente los valores de D, Q y ϕ, con lo que cualquier otra magnitud
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asociada puede ser determinada con ecuaciones que las contienen.
El módulo portamuestras, figura 9.5, se conecta al equipo a través de un terminal a cuatro
puntas, perfectamente aislado de señales parásitas. Uno de los electrodos está diseñado con un
anillo de guarda concéntrico a éste, cuyas funciones son evitar la dispersión del campo eléctrico
en los límites exteriores del material e impedir descargas eléctricas con riesgo para el equipo y el
operador. Con la utilización de un puente de impedancias electrónico, los datos los obtendríamos
directamente del equipo.
a) Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo, de la misma forma a
como se procedió en la experiencia anterior.
b) Seleccionar una frecuencia, p.e. 10 KHz.
c) Realizada la lectura, repetir el procedimiento para verificar el valor de la capacidad.
185
Max 10
A
~
V
30
96
Figura 9.5. Módulo portamuestras y esquema de los electrodos de contacto.
d) Tabulación y tratamiento de los datos experimentales para el cálculo de la resistividad.
4.4
DETERMINACION DE LA RIGIDEZ DIELECTRICA
Con este se ensayo se evalúa el poder de
aislamiento medido en términos de intensidad de
campo eléctrico (V/m) capaz de soportar un
material antes de perforarse eléctricamente.
Evidentemente, cuanto mayor es su rigidez
dieléctrica, mayores tensiones soporta a su través.
En la figura 9.6. se observa un equipo
comprobador de rigidez dieléctrica con sus
electrodos de contacto.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
El ensayo consiste sencillamente en
someter una muestra de pequeño espesor a
diferencias de potencial altas hasta encontrar la
que produce un paso de corriente eléctrica apreciable. Cuanto mayor sea la potencia del equipo,
mayor será la gama de espesores y materiales aislantes (gas, líquido o sólido) a ensayar.
Figura 9.6. Equipo para la determinación de la rigidez
dieléctrica.
FCM 9 / 110
Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales
a) Tomar una muestra de papel-kraft (preparado celulósico para dieléctrico en condensadores)
de espesor d = 1 mm.
b) Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo.
c) Tomar la lectura del voltímetro cuando I ≠ 0 (generalmente, > 1 µA).
d) Realizada la lectura, repetir el procedimiento para verificar el valor de la tensión de ruptura
con otra muestra.
e) Tabulación y tratamiento de los datos experimentales para el cálculo de la resistividad.
5
EXPERIENCIAS
SOBRE
LAS
CARACTERISTICAS
DIELECTRICAS DE LOS MATERIALES
Las experiencias se realizarán con un LCR meter de Hewlett Packard, modelo 4284A con
capacidad para medir inductancia, capacitancia y resistencia. A él se acopla una sonda de ensayo
Hewlett Packard, modelo 16451B.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
a) Conectar la sonda al LCR girando las patillas de aseguramiento.
b) La medición se realizará en posición vertical del micrómetro, de acuerdo con la figura 9.4.
c) El equipo tiene montado un electrodo de guarda, inferior, de 38 mm de diámetro y la
medición la realizamos mediante el electrodo, superior, de 5 mm de diámetro.
Se utilizan, fundamentalmente, dos métodos, el método de contacto y el de no contacto
que pasamos a describir:
d
Ø METODO DE CONTACTO
La figura 9.7 muestra el esquema del montaje
de los electrodos para el método de contacto, cuyos
parámetros a medir son:
Electrodos
ta
Cp
Cp La capacidad equivalente en paralelo (F).
D
Factor de disipación.
ta
Espesor medio del material a ensayar (m).
A
Area del electrodo de guarda (m2).
d
Diámetro del electrodo de guarda (m). (38 x 10-3 m o 5 x 10-3 m)
ε0
8.854 x 10-12 (F/m)
Material a ensayar
Figura 9.7. Esquema del método de contacto.
La constante dieléctrica relativa, del material a ensayar, vendrá dada por la expresión:
εr =
ta C p
=
A ε0
ta C p
2
 d
π   ε0
 2
y el factor de forma será:
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Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales
Dt = D
Ø METODO DE NO CONTACTO
La figura 9.8 muestra el esquema del montaje de los electrodos para el método de no
contacto, cuyos parámetros a medir son:
Cs1 La capacidad en serie cuando no se interpone el material entre los electrodos (F).
Cs2 La capacidad en serie cuando se interpone el material a ensayar (F).
D1 Factor de disipación al aire.
D2 Factor
de disipación cuando se
interpone el material de ensayo.
ta
Espesor medio del material a ensayar
(m).
tg
Distancia entre los electrodos (medido
en el micrómetro) (m).
La constante dieléctrica relativa, del
material a ensayar, vendrá dada por la
expresión:
εr =
ta tg
Material
a ensayar
Cs1
Cs2
1

1 - 1 - Cs1
 C s2
 tg

 ta
Figura 9.8. Esquema del método de no contacto.
y el factor de forma será:
 tg

- 1
Dt = D2 + ε r ( D2 - D1 ) 
 ta

5.1
INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA EN LA CONSTANTE DIELECTRICA
DEL MATERIAL
5.1.1 Objetivo de la experiencia
Analizar la influencia de la frecuencia en la constante dieléctrica y factor de disipación de
diferentes materiales poliméricos.
5.1.2 Materiales empleados
Discos de 40 mm de diámetro de polimetilmetacrilato (PMMA), fenolformaldehido y
resina ftálica con y sin refuerzo, de espesores alrededor de 3 mm
5.1.3 Descripción del proceso y equipos
FCM 9 / 112
Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales
5.1.4 Resultados obtenidos
Frecuencia de ensayo = 1, 5, 10, 25, 50, 80, 100, 250, 500, 800 y 1000 kHz.
Parámetros a medir:
tg = 5 mm.
ta (polimetimetacrilato) =
ta (fenolformaldehido) =
ta (ftálica sin refuerzo) =
ta (ftálica con refuerzo) =
Parámetros a obtener:
RESULTADOS OBTENIDOS
Frecuencia
(kHz)
1
5
10
15
25
50
80
100
250
500
800
VACIO
Cs1 (pF)
D1
PMMA
Cs2 (pF)
D2
BAQUELITA
Cs2 (pF)
D2
FTÁLICA
Cs2 (pF)
D2
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1000
RESULTADOS CALCULADOS
Frecuencia
(kHz)
PMMA
εr
BAQUELITA
Dt
εr
Dt
FTÁLICA
εr
Dt
1
5
10
15
25
50
80
100
250
500
800
1000
5.2
INFLUENCIA DEL ESPESOR DEL MATERIAL AISLANTE
5.2.1 Objetivo de la experiencia
Analizar la influencia del espesor del material aislante en la constante dieléctrica y factor
de disipación de diferentes materiales poliméricos.
5.2.2 Materiales empleados
Discos de 30 mm de diámetro de polimetilmetacrilato, fenolformaldehido y resina epoxi.
5.2.3 Descripción del proceso y equipos
FCM 9 / 114
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5.2.4 Resultados obtenidos
Frecuencia de ensayo = 500 kHz.
Parámetros en vacío: Cs1 =
, D1 =
METACRILATO
ta
5.3
Cs2
D2
εr
, tg = 6 mm
BAQUELITA
Dt
ta
Cs2
D2
εr
FTÁLICA
Dt
ta
Cs2
D2
εr
Dt
INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DEL MATERIAL AISLANTE
5.3.1 Objetivo de la experiencia
Analizar la influencia de la naturaleza del material aislante en las propiedades dieléctricas
de los mismos, constante dieléctrica y factor de disipación.
5.3.2 Materiales empleados
Cuadrados de 30 x 30 mm de polietileno de alta y baja densidad, policarbonato,
poliestireno, policloruro de vinilo, polimetilmetacrilato, resinas epoxi y diferentes materiales
compuestos.
5.3.3 Descripción del proceso y equipos
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5.3.4 Resultados obtenidos
Frecuencia de ensayo = 100 kHz.
Parámetros en vacío: Cs1 =
, D1 =
TIPO DE
Espesor (mm)
Cs2 (pF)
POLIMERO
Polietileno de alta densidad
Polietileno de baja densidad
Policarbonato
Poliestireno
Policloruro de vinilo
Polimetilmetacrilato
Resina epoxi
Compuesto epoxi/carbono
Compuesto epoxi/vidrio
Compuesto epoxi/aramida
FCM 9 / 116
, tg = 5 mm.
D2
εr
Dt
Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales
6
CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS
1. Representa la relación entre la constante dieléctrica relativa y la frecuencia de ensayo para los
tres materiales ensayados.
2. Representa la relación entre el factor de disipación y la frecuencia de ensayo para los tres
materiales ensayados.
3. Representa la relación entre la constante dieléctrica relativa frente al espesor del material
aislante.
4. Representa, igualmente, la relación del factor de disipación con el espesor del material
aislante.
5. Justifica el diferente comportamiento dieléctrico entre los polímeros ensayados.
6. ¿Qué expresa el factor de disipación de un dieléctrico?
7. ¿Cómo podemos determinar la constante dieléctrica de un material?
8. ¿Cómo puede determinarse la rigidez dieléctrica de un material?
9. Indica, por bibliografía, algunos valores de constante y rigidez dieléctrica de aquellos
materiales más usuales como dieléctricos y aislantes?
10. ¿En qué se basa la diferencia fundamental del comportamiento dieléctrico de un material
polimérico y una cerámica?
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ALUMNO
APELLIDOS:
GRUPO DE PRÁCTICAS:
NOMBRE:
FECHA DE ENTREGA:
RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER
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