Comparación de las propiedades dieléctricas de los materiales aislantes

Comprender las propiedades dieléctricas

El comportamiento dieléctrico es la forma en que los materiales aislantes reaccionan a los campos eléctricos. Es una descripción del grado en que el material se opone a la conducción eléctrica. Dos de las propiedades más importantes que definen la forma en que actúan estos materiales son las constantes dieléctricas y los factores de pérdida. La constante dieléctrica mide la eficacia con la que se almacena la energía. El factor de pérdida mide la energía que se pierde en forma de calor. El conocimiento explícito de estos valores es prioritario a la hora de elegir el material adecuado para una aplicación.

Polímeros (poliimida, politetrafluoroetileno, epoxi, cloruro de polivinilo)

La poliimida se utiliza cuando se requiere alta resistencia y temperatura. Recuerdo cuando utilizábamos poliimida en algunas áreas de aislamiento eléctrico. El politetrafluoroetileno se utiliza mucho porque tiene baja fricción y buena estabilidad a altas temperaturas. El epoxi se utiliza en placas de circuitos impresos y otros ensamblajes electrónicos por sus buenas características de unión. El cloruro de polivinilo es habitual en el aislamiento de cables. No es tan resistente a altas temperaturas, pero es barato para la mayoría de usos.

Todos estos polímerostienen una constante dieléctrica variable. La poliimida suele tener cifras entre cinco y seis, mientras que el politetrafluoroetileno se acerca más a dos. El epoxi y el cloruro de polivinilo se sitúan en un punto intermedio. Estas sustancias son las preferidas de los ingenieros que buscan flexibilidad y peso, como en la electrónica de consumo.

Cerámica (alúmina, nitruro de boro, nitruro de silicio)

Los materiales cerámicos son la primera opción cuando se necesita una gran rigidez dieléctrica y resistencia térmica. El óxido de aluminio, o alúmina, tiene buenas propiedades dieléctricas y resistencia térmica. El nitruro de boro tiene buena conducción térmica y aislamiento eléctrico. El nitruro de silicio tiene una forma estable incluso cuando se somete a esfuerzos mecánicos. Estos materiales suelen utilizarse en aplicaciones de alto riesgo, como naves espaciales o componentes de circuitos de alta tensión.

Sus constantes dieléctricas pueden variar. La alúmina suele oscilar entre nueve y diez. El nitruro de boro tiene menos, lo que resulta útil cuando se necesita una constante dieléctrica baja. El nitruro de silicio se sitúa en un punto intermedio. Los usos dependen de la necesidad de la aplicación. A partir de estos conocimientos se han creado muchos equipos especializados.

Vidrio (sílice fundida, borosilicato)

El vidrio es otro material fundamental en el aislamiento eléctrico. La sílice fundida es un material con muy bajas pérdidas dieléctricas. Es habitual en aplicaciones de microondas y alta frecuencia. El vidrio de borosilicato es muy apreciado por su resistencia al calor y se emplea con frecuencia en equipos de laboratorio. Su constante dieléctrica es algo superior a la de la sílice fundida, pero el vidrio de borosilicato ofrece resistencia a temperaturas medias.

El vidrio se utiliza en aplicaciones en las que la resistencia química y la transparencia son cruciales. El vidrio posee propiedades dieléctricas que contribuyen a reducir las pérdidas de energía y a proporcionar un rendimiento estable durante un periodo prolongado.

Materiales compuestos (polímero-cerámica, epoxi con alúmina/sílice)

Los materiales compuestos reúnen las mejores características de los polímeros y la cerámica. En un compuesto polímero-cerámica, se puede mezclar una matriz de polímero flexible con partículas cerámicas. El resultado es una mezcla de flexibilidad y buena rigidez dieléctrica. El epoxi combinado con alúmina o sílice se utiliza mucho en placas de circuitos impresos y envases electrónicos. Esta mezcla aumenta la resistencia térmica y mecánica sin degradar el rendimiento dieléctrico.

Los datos tienden a sugerir que estos compuestos alcanzan resistencias dieléctricas de varios kilovoltios por milímetro. Por lo tanto, son una opción ideal para aplicaciones en las que se requiere rigidez además de un mayor aislamiento.

Factores que afectan a la rigidez dieléctrica

La rigidez dieléctrica se ve afectada por ciertos parámetros. Entre ellos están la temperatura, la frecuencia de carga eléctrica y la calidad del material. Los cambios de temperatura pueden provocar la degradación de las propiedades dieléctricas. Una frecuencia más alta puede causar mayores pérdidas. La calidad de fabricación también importa. Una traza de impureza puede reducir el nivel de aislamiento. Los ingenieros tienen en cuenta estos factores a la hora de fabricar productos fiables.

Muchos usos prácticos demuestran que las condiciones ambientales pueden modificar el rendimiento. Su importancia se observa en los cables de transmisión eléctrica y la electrónica de consumo.

Aplicaciones en la industria

El comportamiento dieléctrico de los materiales aislantes tiene un uso práctico. Son muy importantes en sistemas eléctricos como transformadores y condensadores. Estos materiales encuentran aplicación en diversas industrias en equipos de comunicación de alta frecuencia. Los dispositivos médicos también dependen de un aislamiento adecuado. En algunas máquinas pesadas, una elevada rigidez dieléctrica puede evitar averías y daños. En el mundo real, la selección de un aislante se basa en su forma física y su coste.

Conclusión

Los materiales aislantes presentan diferentes características dieléctricas adecuadas para distintas aplicaciones. Los polímeros, la cerámica, el vidrio y los materiales compuestos tienen cada uno sus propios puntos fuertes. Para más información sobre materiales, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Qué nos dice la constante dieléctrica?

P: Muestra el grado en que un material almacenará energía eléctrica en un campo eléctrico.

F: ¿Por qué son valiosos los materiales compuestos para la electrónica?

P: Los materiales compuestos ofrecen un equilibrio entre flexibilidad y buenas propiedades de aislamiento eléctrico.

F: ¿Cómo afecta la temperatura a las propiedades dieléctricas?

P: Un aumento de la temperatura tiende a disminuir la rigidez dieléctrica y puede aumentar la pérdida de energía.