En física , el término rigidez dieléctrica tiene los siguientes significados:
- para un material eléctricamente aislante puro , el campo eléctrico máximo que el material puede soportar en condiciones ideales sin sufrir una ruptura eléctrica y volverse eléctricamente conductor (es decir, sin fallar sus propiedades aislantes).
- Para una pieza específica de material dieléctrico y la ubicación de los electrodos , el campo eléctrico aplicado mínimo (es decir, el voltaje aplicado dividido por la distancia de separación del electrodo) que da como resultado la ruptura. Este es el concepto de voltaje de ruptura .
La rigidez dieléctrica teórica de un material es una propiedad intrínseca del material a granel y es independiente de la configuración del material o los electrodos con los que se aplica el campo. Esta "rigidez dieléctrica intrínseca" corresponde a lo que se mediría utilizando materiales puros en condiciones ideales de laboratorio. Al romperse, el campo eléctrico libera electrones ligados. Si el campo eléctrico aplicado es lo suficientemente alto, los electrones libres de la radiación de fondo pueden acelerarse a velocidades que pueden liberar electrones adicionales por colisiones con átomos o moléculas neutrales, en un proceso conocido como ruptura por avalancha . La ruptura ocurre de manera bastante abrupta (generalmente en nanosegundos ), lo que resulta en la formación de una ruta conductora de electricidad y una descarga disruptiva a través del material. En un material sólido, un evento de ruptura degrada severamente, o incluso destruye, su capacidad aislante.
Avería eléctrica
La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas eléctricamente en un material causado por un campo eléctrico . Las partículas cargadas móviles responsables de la corriente eléctrica se denominan portadores de carga . En diferentes sustancias, diferentes partículas sirven como portadores de carga: en los metales y otros sólidos, algunos de los electrones externos de cada átomo ( electrones de conducción ) pueden moverse por el material; en los electrolitos y el plasma son los iones , los átomos o moléculas cargados eléctricamente y los electrones. Una sustancia que tiene una alta concentración de portadores de carga disponibles para la conducción conducirá una gran corriente con el campo eléctrico dado creado por un voltaje dado aplicado a través de ella, y por lo tanto tiene una resistividad eléctrica baja ; esto se llama conductor eléctrico . Un material que tiene pocos portadores de carga conducirá muy poca corriente con un campo eléctrico dado y tiene una alta resistividad; esto se llama aislante eléctrico .
Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande a cualquier sustancia aislante, a una cierta intensidad de campo, la concentración de portadores de carga en el material aumenta repentinamente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en un conductor. A esto se le llama avería eléctrica . El mecanismo físico que causa la descomposición difiere en diferentes sustancias. En un sólido, generalmente ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para alejar los electrones de valencia externos de sus átomos, por lo que se vuelven móviles. La intensidad de campo a la que se produce la ruptura es una propiedad intrínseca del material denominada rigidez dieléctrica .
En los circuitos eléctricos prácticos, la avería eléctrica es a menudo una ocurrencia no deseada, una falla del material aislante que causa un cortocircuito , lo que resulta en una falla catastrófica del equipo. La caída repentina de la resistencia hace que fluya una corriente alta a través del material, y el calentamiento repentino y extremo de Joule puede hacer que el material u otras partes del circuito se derrita o se vaporice de manera explosiva. Sin embargo, el colapso en sí es reversible. Si la corriente suministrada por el circuito externo es suficientemente limitada, no se daña el material y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de regreso al estado aislante del material.
Factores que afectan la rigidez dieléctrica aparente
- Disminuye al aumentar el grosor de la muestra. [1] (ver "defectos" a continuación)
- Disminuye con el aumento de la temperatura de funcionamiento .
- Disminuye con mayor frecuencia.
- En el caso de los gases (p. Ej., Nitrógeno, hexafluoruro de azufre), normalmente disminuye con el aumento de la humedad, ya que los iones en el agua pueden proporcionar canales conductores.
- Para los gases, aumenta con la presión de acuerdo con la ley de Paschen.
- Para el aire, la rigidez dieléctrica aumenta ligeramente a medida que aumenta la humedad absoluta, pero disminuye con un aumento de la humedad relativa [2]
Intensidad del campo de ruptura
La intensidad del campo a la que se produce la ruptura depende de las respectivas geometrías del dieléctrico (aislante) y de los electrodos con los que se aplica el campo eléctrico , así como de la tasa de aumento del campo eléctrico aplicado. Debido a que los materiales dieléctricos generalmente contienen defectos diminutos, la rigidez dieléctrica práctica será significativamente menor que la rigidez dieléctrica intrínseca de un material ideal, libre de defectos. Las películas dieléctricas tienden a exhibir mayor rigidez dieléctrica que las muestras más gruesas del mismo material. Por ejemplo, la rigidez dieléctrica de las películas de dióxido de silicio de un espesor de alrededor de 1 μm es de aproximadamente 0,5 GV / m. [3] Sin embargo, las capas muy delgadas (por debajo de, digamos, 100 nm ) se vuelven parcialmente conductoras debido al efecto túnel de los electrones . [se necesita aclaración ] Se utilizan múltiples capas de películas dieléctricas delgadas donde se requiere la máxima rigidez dieléctrica práctica, como capacitores de alto voltaje y transformadores de pulsos . Dado que la rigidez dieléctrica de los gases varía según la forma y la configuración de los electrodos, [4] se suele medir como una fracción de la rigidez dieléctrica del gas nitrógeno .
Rigidez dieléctrica (en MV / m, o 10 6 ⋅volt / metro) de varios materiales comunes:
Sustancia | Fuerza dieléctrica (MV / m) |
---|---|
Helio (relativo al nitrógeno) [5] [ aclaración necesaria ] | 0,15 |
Aire [6] | 3 |
Hexafluoruro de azufre [5] | 8.5–9.8 |
Alúmina [5] | 13,4 |
Vidrio de ventana [5] | 9,8-13,8 |
Vidrio de borosilicato [5] | 20–40 |
Aceite de silicona , aceite mineral [5] [7] | 10-15 |
Benceno [5] | 163 |
Poliestireno [5] | 19,7 |
Polietileno [8] | 19–160 |
Caucho de neopreno [5] | 15,7-26,7 |
Agua destilada [5] | 65–70 |
Alto vacío (200 μPa ) (emisión de campo limitada) [9] | 20–40 (depende de la forma del electrodo) |
Sílice fundida [5] | 470–670 |
Papel encerado [10] | 40–60 |
PTFE (teflón, extruido ) [5] | 19,7 |
PTFE (teflón, película aislante) [5] [11] | 60-173 |
PEEK (poliéter éter cetona) | 23 |
Mica [5] | 118 |
Diamante [12] | 2.000 |
PZT | 10-25 [13] [14] |
Unidades
En SI , la unidad de rigidez dieléctrica es voltios por metro (V / m). También es común ver unidades relacionadas como voltios por centímetro (V / cm), megavoltios por metro (MV / m), etc.
En las unidades habituales de los Estados Unidos , la rigidez dieléctrica a menudo se especifica en voltios por mil (una mil es 1/1000 de pulgada ). [15] La conversión es:
Ver también
- Cortocircuito
- Permitividad relativa
- Movimiento browniano rotacional
- Ley de Paschen : variación de la rigidez dieléctrica del gas relacionada con la presión
- Arboles eléctricos
- Figura de Lichtenberg
Referencias
- ^ Películas de DuPont Teijin (2003). "Película de poliéster Mylar" (PDF) .
- ^ Ritz, Hans (1932). "Durchschlagfeldstärke des homogenen Feldes en Luft". Archiv für Elektrotechnik . 26 (4): 219-232. doi : 10.1007 / BF01657189 . S2CID 108697400 .
- ^ Bartzsch, Hagen; Glöß, Daniel; Frach, Peter; Gittner, Matthias; Schultheiß, Eberhard; Brode, Wolfgang; Hartung, Johannes (21 de enero de 2009). "Propiedades de aislamiento eléctrico de películas de SiO 2 , Si 3 N 4 y Al 2 O 3 depositadas por pulverización catódica a temperatura ambiente y 400 ° C". Physica Status Solidi A . 206 (3): 514–519. Código Bibliográfico : 2009PSSAR.206..514B . doi : 10.1002 / pssa.200880481 .
- ^ Lyon, David; et al. (2013). "Dependencia del tamaño de la brecha de la rigidez dieléctrica en nano brechas de vacío". IEEE . 20 (4): 1467-1471. doi : 10.1109 / TDEI.2013.6571470 . S2CID 709782 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Manual de Física y Química del CRC
- ^ Hong, Alice (2000). Elert, Glenn (ed.). "Rigidez dieléctrica del aire" . El libro de datos de física . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ Föll, H. "3.5.1 Avería y avería eléctrica" . Tf.uni-kiel.de . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ Xu, cereza (2009). Elert, Glenn (ed.). "Rigidez dieléctrica del polietileno" . El libro de datos de física . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ Giere, Stefan; Kurrat, Michael; Schümann, Ulf. Rigidez dieléctrica de AT de electrodos de apantallamiento en interruptores de vacío (PDF) . XX Simposio Internacional de Descargas y Aislamiento Eléctrico en Vacío. Archivado desde el original (PDF) el 1 de marzo de 2012 . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ Mulyakhova, Dasha (2007). Elert, Glenn (ed.). "Rigidez dieléctrica del papel encerado" . El libro de datos de física . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ Glenn Elert. "Dieléctricos - El hipertexto de física" . Physics.info . Consultado el 18 de junio de 2020 .
- ^ "Propiedades electrónicas del diamante" . el.angstrom.uu.se . Consultado el 10 de agosto de 2013 .
- ^ Moazzami, Reza; Chenming Hu; William H. Shepherd (septiembre de 1992). "Características eléctricas de películas delgadas PZT ferroeléctricas para aplicaciones DRAM" (PDF) . Transacciones IEEE en dispositivos electrónicos . 39 (9): 2044. Bibcode : 1992ITED ... 39.2044M . doi : 10.1109 / 16.155876 .
- ^ B. Andersen; E. Ringgaard; T. Bove; A. Albareda y R. Pérez (2000). "Rendimiento de componentes cerámicos multicapa piezoeléctricos basados en PZT duro y blando" . Proceedings of Actuator 2000 : 419–422.
- ^ Para ver uno de los muchos ejemplos, consulte Poliamidas: materiales, procesamiento y aplicaciones , por AJ Kirby, enlace de libros de Google
- Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Norma Federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 )
enlaces externos
- Artículo "La rigidez dieléctrica máxima de películas delgadas de óxido de silicio" de IEEE Transactions on Electron Devices