Dielèctric

En electromagnetisme, un material dielèctric, mig dielèctric o simplement dielèctric és un aïllant elèctric —material en una baixa conductivitat elèctrica (σ << 1)—; té la propietat de formar dipols elèctrics en el seu interior baix l'acció d'un camp elèctric) que pot ser polarisat per un camp elèctric aplicat. Quan un material dielèctric es coloca en un camp elèctric, les càrregues elèctriques no fluïxen a través del material com ho fan en un conductor elèctric, perque no tenen electrons solts o lliures que puguen desplaçar-se a través del material, sino que es desplacen llaugerament de les seues posicions d'equilibri promig, causant polarisació dielèctrica. Per la polarisació dielèctrica, les càrregues positives es desplacen en la direcció del camp i les càrregues negatives es desplacen en la direcció oposta al camp (per eixemple, si el camp es mou paral a l'eix x positiu, les càrregues negatives es desplaçaran en sentit negatiu). direcció x). Açò crea un camp elèctric intern que reduïx el camp general dins del propi dielèctric. Si un dielèctric està compost de molecules débilment unides, eixes molècules no solament es polarisen, sino que també es reorientan per a que els seus eixos de simetria s'alineen en el camp. Aixina, tots els materials dielèctrics són aïllants pero no tots els materials aïllants són dielèctrics.

Material polarisat.

Alguns eixemples d'este tipo de materials són el vidre, la ceràmica, la goma, el petròleu, la mica, la cera, el paper, la fusta seca, la porcelana, algunes grassas per a us industrial i electrònic i la baquelita. Sobre els gasos s'utilisen com a dielèctrics sobretot l'aire, el nitrogen i l'hexafluoruro de sofre. El vocablo «dielèctric» (del grec δια- dia-, que significa ‘a través de’) va ser concebut per William Whewell en resposta a una petició de Michael Faraday.

Aplicacions de dielèctrics

Els dielèctrics més utilisats són l'aire, el paper i el Policloruro de vinil. L'introducció d'un dielèctric en un condensador aïllat d'una bateria elèctrica, té les següents conseqüències:

• Disminuïx el camp elèctric entre les plaques del condensador elèctric.
• Disminuïx la diferència de potencial entre les plaques del condensador, en una relació Vaig vore/k.
• Aumenta la diferència de potencial màxima que el condensador és capaç de resistir sense que ix-te una purna entre les plaques (ruptura dielèctrica).
• Aument per tant de la capacitat elèctrica del condensador en k voltes.
• La càrrega no es veu afectada, ya que permaneix la mateixa que ha segut carregada quan el condensador va estar somés un voltage. Normalment un dielèctric es torna conductor quan se sobrepassa el camp de ruptura del dielèctric. Esta tensió màxima es denomina rigidea dielèctrica. És dir, si aumentem molt el camp elèctric que passa pel dielèctric convertirem dit material en un conductor. Tenim que la capacitancia en un dielèctric omplint tot l'interior del condensador (pla-paral) està donat per:

$C=\frac{k{ϵ}_{0}A}{d}$

a on

${ϵ}_0$ és la permitividad elèctrica del buit.

Susceptibilitat elèctrica

la susceptibilitat elèctrica χ_i d'un material dielèctric és una mida d'en quanta facilitat es polarisa el ser expost a un camp elèctric. Això a la seua volta, determina la permissivitat elèctrica del material i per lo tant influencia molt atres fenomens en este mig, des de la capacitancia dels capacitors a la velocitat de la llum. Li la definix com la constant de proporcionalitat (que pot ser un tensor) que relaciona el camp elèctric I en la densitat de polarisació elèctrica induïda P de manera que

___*$𝐏={\epsilon }_0{\chi }_e𝐄,$

a on ε₀ es la permisividad eléctrica en el vacío. La susceptibilidad d'un medio está relacionada con su permisividad relativa ε_r per mig de la expresión

${\chi }_e={\epsilon }_r-1.$

Por lo cual en el caso del vacío,

${\chi }_e=0.$

el desplazamiento eléctrico D está relacionado con la densidad de polarisació P per mig de la expresión

$𝐃={\epsilon }_0𝐄+𝐏={\epsilon }_0(1+{\chi }_e)𝐄={\epsilon }_0{\epsilon }_r𝐄.$

Dispersió i causalitat

En general,un material no es polarisa de manera instantànea en resposta a un camp aplicat. La formulació més general en funció del temps és

___*$𝐏(t)={\epsilon }_0\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{t}{\int }}{\chi }_e(t-t^{\prime })𝐄(t^{\prime })d{t}^{\prime }.$

O sea, la polarisació es una convolución del campo eléctrico en tiempos previos a on la susceptibilidad dependiente del tiempo es χ_e(Δt). Elímite superior d'esta integral se puede extender hasta infinito si se define χ_e(Δt) = 0 per a Δt < 0. La respuesta instantánea corresponde a la susceptibilidad función delta de Dirac χ_e(Δt) = χ_eδ(Δt). En un sistema lineal es más conveniente utilizar la transformada de Fourier y escribir esta relació como una función de la frecuencia. Utilizando el teorema de convolución, la integral se transforma en un simple producto,

$𝐏(\omega )={\epsilon }_0{\chi }_e(\omega )𝐄(\omega ).$

La susceptibilitat (o de manera equivalent la permissivitat) és depenent de la freqüència. El ranc de susceptibilitat sobre la freqüència caracterisa les propietats de dispersió del material. És més, el fet que la polarisació solament pot dependre del camp elèctric en el temps previ (o siga, χ_i(Δt) = 0 per a Δt < 0), una conseqüència de la causalitat, impon limitantes de Kramers–Kronig en les components reals i imaginàries de la susceptibilitat χ_i(ω).

Polarisació dielèctrica

Model atòmic bàsic

Erro al crear miniatura:

Interacció del camp elèctric en un àtom baix el model dielèctric clàssic.

En l'enfocament clàssic del dielèctric, el material està format per àtoms. Cada àtom consta d'un núvol de càrrega negativa (electrons) unida i rodejant una càrrega puntual positiva en el seu centre. En presència d'un camp elèctric, el núvol de càrrega es distorsiona, com es mostra en la part superior dreta de la figura. Açò es pot reduir a un simple dipol usant el principi de superposició. Un dipol es caracterisa pel seu moment dipolar, una cantitat vectorial que es mostra en la figura com la flecha blava denominada M. És la relació entre el camp elèctric i el moment dipolar lo que dona lloc al comportament del dielèctric. (Tinga en conte que el moment dipolar apunta en la mateixa direcció que el camp elèctric en la figura. Este no sempre és el cas i és una gran simplificació, pero és cert per a molts materials). Quan s'elimina el camp elèctric, l'àtom torna al seu estat original. El temps requerit per a fer-ho és el cridat temps de relaixació; una decaiguda exponencial. Esta és l'essència del model en física. El comportament del dielèctric ara depén de la situació. Quant més complicada siga la situació, més ric deu ser el model per a descriure en precisió el comportament. Les preguntes importants són:

• ¿El camp elèctric és constant o varia en el temps? ¿A quina taxa?
• ¿La resposta depén de la direcció del camp aplicat (isotropía del material)?
• ¿La resposta és la mateixa en tots els llocs (homogeneïtat del material)?
• ¿Cal tindre en conte alguns llímits o interfaços?
• ¿És la resposta Sistema llineallineal sobre el camp, o hi ha no linealidades? La relació entre el camp elèctric I i el moment dipolar M dona lloc al comportament del dielèctric, que, per a un material donat, es pot caracterisar per la funció F definit per l'equació:

___*$$𝐌=𝐅(𝐄).$$

Quan s'han definit tant el tipo de camp elèctric com el tipo de material, s'elegix la funció F més simple que prediu correctament els fenomens d'interés. Els eixemples de fenomens que es poden modelar inclouen:

• Índex de refracció
• Dispersió de velocitat de grup
• Birrefringencia
• Auto concentració
• Generació harmònica

Polarisació dipolar

La polarisació dipolar és una polarisació que és inherent a les molècules polarss (polarisació d'orientació), o pot ser induïda en qualsevol molècula en la que és possible la distorsió asimètrica dels núcleus (polarisació de distorsió). La polarisació d'orientació resulta d'un dipol permanent, per eixemple, el que sorgix de l'àngul de 104,45° entre els enllaços asimètrics entre els àtoms d'oxigen i hidrogen en la molècula d'aigua, que reté la polarisació en absència d'un camp elèctric extern. L'ensamblage d'estos dipols forma una polarisació macroscòpica. Quan s'aplica un camp elèctric extern, la distància entre càrregues dins de cada dipol permanent, que està relacionada en l'enllaç químic, permaneix constant en la polarisació d'orientació; no obstant, la direcció de la polarisació mateixa gira. Esta rotació ocorre en una escala de temps que depén del torque i la viscosidad local circumdant de les molècules. Degut a que la rotació no és instantànea, les polarisació dipolares perden la resposta als camps elèctrics en les freqüències més altes. Una molècula gira al voltant d'1 radian per picosegundo en un decorregut, per lo que esta pèrdua es produïx a uns 10¹¹ Hz (en la regió de les microones). El retart de la resposta al canvi del camp elèctric provoca fricció i calor. Quan s'aplica un camp elèctric extern a freqüències infrarrojas o menys, les molècules es doblen i estiren pel camp i el moment dipolar molecular canvia. La freqüència de vibració molecular és aproximadament l'inversa del temps que tarden les molècules en doblar-se, i esta polarisació de distorsió desapareix per damunt del infrarrojo.

Polarisació iònica

La polarisació iònica és la polarisació causada pels desplaçaments relatius entre els ions positius i negatius en els cristals iònics (per eixemple, NaCl). Si un cristal o una molècula consta d'àtoms de més d'un tipo, la distribució de càrregues al voltant d'un àtom en el cristal o la molècula tendix a ser positiva o negativa. Com a resultat, quan les vibracions de la ret o les vibracions moleculars induïxen desplaçaments relatius dels àtoms, els centres de càrregues positives i negatives també es desplacen. Les ubicacions d'estos centres es veuen afectades per la simetria dels desplaçaments. Quan els centres no es corresponen, sorgix la polarisació en molècules o cristals. Esta polarisació es denomina polarisació iònica. La polarisació iònica provoca l'efecte ferroeléctrico aixina com la polarisació dipolar. La transició ferroeléctrica, que és causada pel allineament de les orientacions dels dipols permanents a lo llarc d'una direcció particular, es denomina transició de fase d'orde-desorde. La transició provocada per les polarisació iòniques en els cristals es denomina transició de fase desplaçada.

En cèles

La polarisació iònica permet la producció de composts rics en energia en les cèlules (la bomba de protones en la mitocondria) i, en la membrana plasmática, l'establiment del potencial de repòs , transport energèticament desfavorable d'ions i comunicació de cèlula a cèlula (la Na+/K+-ATPasa). Totes les cèlules en els teixits del cos animal estan eléctricamente polarisades; en atres paraules, mantenen una diferència de voltage a través de la membrana plasmática de la cèla, coneguda com potencial de membrana. Esta polarisació elèctrica resulta d'una interacció complexa entre transportadors d'ions i canals d'ions. En les neurones, els tipos de canals iònics en la membrana generalment varien en diferents parts de la cèla, donant a les dendritas, axóns i cossos celars diferents propietats elèctriques. Com a resultat, algunes parts de la membrana d'una neurona poden ser excitables (capaces de generar potencials d'acció), mentres que unes atres no ho són.

Alguns dielèctrics pràctics

Els materials dielèctrics poden ser sòlits, líquits o gasos. (Un alt buit també pot ser un dielèctric útil, casi sense pèrdues, encara que el seu constant dielèctrica relativa siga solament l'unitat). Els dielèctrics sòlits són potser els dielèctrics més utilisats en l'ingenieria elèctrica, i molts sòlits són molt bons aïllants. Alguns eixemples inclouen porcelana, vidre i la majoria dels plàstics. l'aire, el nitrogen i l'hexafluoruro de sofre són els tres dielèctrics gaseosos més utilisats.

• Els recobriment industrials com Parylene proporcionen una barrera dielèctrica entre el substrat i el seu entorn.

• l'oli mineral s'usa àmpliament dins dels transformadors elèctrics com a dielèctric decorregut i per a ajudar en el refredat. Els decorreguts dielèctrics en constants dielèctriques més altes, com l'oli de ricino de grau elèctric, a sovint s'usen en capacitores d'alt voltage per a ajudar a previndre la descàrrega de corona i aumentar la capacitancia.
• Degut a que els dielèctrics resistixen el fluix d'electricitat, la superfície d'un dielèctric pot retindre càrregues elèctriques en excés varades . Açò pot ocórrer accidentalment quan es frega el dielèctric (l'efecte triboeléctrico). Açò pot ser útil, com en un generador de Van de Graaff o electróforo, o pot ser potencialment destructiu com en el cas d'una descàrrega electrostàtica .
• Els dielèctrics especialment processats, cridats electretos (que no deuen confondre's en els ferroeléctricos ), poden retindre un excés de càrrega interna o una polarisació «congelada». Els electretos tenen un camp elèctric semipermanente i són l'equivalent electrostàtic dels imants. Els electretos tenen numeroses aplicacions pràctiques en la llar i l'indústria. Alguns dielèctrics poden generar una diferència de potencial quan se someten a tensió mecànica o (equivalentemente) canvien de forma física si s'aplica un voltage extern a través del material. Esta propietat es diu piezoelectricidad. Els materials piezoelèctrics són una atra classe de dielèctrics molt útils. Alguns cristals iònics i dielèctrics polimèrics exhibixen un moment dipolar espontàneu, que pot revertir-se per mig d'un camp elèctric aplicat externament. Este comportament es denomina efecte ferroeléctrico. Estos materials són anàlecs a la forma en que es comporten els materials ferromagnéticos dins d'un camp magnètic aplicat externament. Els materials ferroeléctricos a sovint tenen constants dielèctriques molt altes, lo que els fa molt útils per a capacitors.

Paraelectricidad

Vore també: Ferroelectricidad

La paraelectricidad és el comportament nominal dels dielèctrics quan el tensor de permitividad dielèctrica és proporcional a la matriu unitària, és dir, un camp elèctric aplicat provoca la polarisació i/o l'alliniació dels dipols només en paral al camp elèctric aplicat. Contràriament a l'analogia en un material paramagnético, no és necessari que existixca un dipol elèctric permanent en un material paraeléctrico. Els mecanismes que causen el comportament paraeléctrico són la distorsió d'ions individuals (desplaçament del núvol d'electrons del núcleu) i la polarisació de molècules o combinacions d'ions o defectes. La paraelectricidad pot donar-se en fases cristalines en les que els dipols elèctrics no estan alineats i, per tant, tenen el potencial d'alinear-se en un camp elèctric extern i debilitar-ho. La majoria dels materials dielèctrics són paraeléctricos. Un eixemple concret de material paraeléctrico d'elevada constant dielèctrica és el titanato d'estronci. El cristaliNbO₃ és ferroeléctrico per baix de 1430 K, i per damunt d'esta temperatura es transforma en una fase paraeléctrica desordenada. De la mateixa manera, atres perovskitas també presenten paraelectricidad a altes temperatures. La paraelectricidad s'ha estudiat com a possible mecanisme de refrigeració; la polarisació d'un paraeléctrico per mig de l'aplicació d'un camp elèctric en condicions de procés adiabàtic aumenta la temperatura, mentres que l'eliminació del camp reduïx la temperatura. Una bomba de calor que funcione polarisant el paraeléctrico, permetent-li tornar a la temperatura ambiente (dissipant la calor extra), posant-ho en contacte en l'objecte a gelar i, finalment, despolarizándolo, donaria com resultat la refrigeració.

Vore també

• Conductor elèctric
• Resistència elèctrica
• Permitividad