Un dieléctrico es un aislante que separa las dos placas o láminas conductoras de un condensador. Los aislantes son materiales que no conducen la corriente eléctrica, como el plástico, el vidrio, el papel o la madera. La función del dieléctrico es aumentar la capacitancia para que el condensador pueda almacenar más carga eléctrica y energía potencial.
Un condensador puede funcionar si sus placas conductoras no se tocan, impidiendo así la transferencia de carga eléctrica entre ellas. Asimismo, para evitar la transferencia de carga eléctrica del conductor al aire, el espacio entre ambos conductores debe ser vacío. En el tema de los condensadores de placas paralelas, se ha analizado su capacitancia, la cual se encuentra en un espacio vacío. La capacitancia de un condensador en vacío tiene limitaciones, por lo que, para aumentarla, se coloca un dieléctrico entre las placas.
El dieléctrico aumenta la capacitancia porque el potencial eléctrico entre las dos placas conductoras disminuye.
¿Por qué aumenta la capacitancia del capacitor después de colocar el dieléctrico entre las dos placas o láminas? Para encontrar la respuesta a esta pregunta, primero recordemos la lección sobre la carga eléctrica. Las cargas eléctricas iguales se repelen, mientras que las cargas eléctricas opuestas se atraen. Por ejemplo, una carga positiva atrae una carga negativa, pero repele una carga positiva. Entonces, ¿por qué los plásticos con carga negativa pueden atraer pequeños trozos de papel que no tienen carga eléctrica? Esto sucede porque el papel experimenta polarización de carga.
En materiales aislantes como el papel, los electrones no pueden moverse libremente como en los materiales conductores. Por lo tanto, cuando el plástico, cargado negativamente, se acerca al papel, los electrones ligados a los átomos se alejan del plástico. Esto provoca una polarización entre las cargas negativas y positivas del papel. La carga negativa del papel se encuentra más alejada del plástico, mientras que la carga positiva se encuentra más cerca. En consecuencia, la carga negativa del plástico atrae la carga positiva del papel hasta que este se acerca al plástico.
El proceso de polarización de la carga que ocurre en trozos de papel es similar a la polarización de la carga que ocurre en un dieléctrico. Como se muestra en la figura de la izquierda, por ejemplo, inicialmente solo había dos conductores cargados eléctricamente. La placa izquierda está cargada positivamente, mientras que la placa derecha está cargada negativamente, de modo que la dirección del campo eléctrico va de izquierda a derecha.
Tras colocar el dieléctrico entre las dos placas conductoras, la carga positiva de la placa izquierda atrae a los electrones de la superficie dieléctrica cercana. Asimismo, la carga negativa de la placa derecha repele a los electrones de dicha superficie. En el dieléctrico, que es un aislante, los electrones no tienen libertad de movimiento como en un conductor. Por lo tanto, permanecen ligados al átomo, pero se produce una polarización entre los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva, como se muestra en la figura.
La presencia de una carga positiva en el lado derecho de los átomos dieléctricos y una carga negativa en el lado izquierdo genera un campo eléctrico. Este campo, que fluye de derecha a izquierda, debilita el campo eléctrico generado por la carga eléctrica en la placa conductora, que fluye de izquierda a derecha. Por lo tanto, el campo eléctrico disminuye no porque disminuya la carga eléctrica en las dos placas del conductor, sino porque aparece un campo eléctrico en el dieléctrico en dirección opuesta. Si se libera el dieléctrico, la intensidad del campo eléctrico generado por la carga eléctrica en las dos placas del conductor vuelve a su valor normal.
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Al disminuir la intensidad del campo eléctrico generado por la carga eléctrica en ambas placas conductoras, el potencial eléctrico entre ellas también se reduce. Esto se debe a que el campo eléctrico es directamente proporcional al potencial eléctrico, como se indica en la ecuación E = V / d, donde E es el campo eléctrico, V es el potencial eléctrico y d es la distancia entre las placas. Si antes del contacto con el dieléctrico el potencial eléctrico es Vo, después de dicho contacto, el potencial eléctrico se reduce a V por un factor K.
Matemáticamente, Vo = KV o V = Vo / K o K = Vo / V, donde K = constante dieléctrica. Vo > V, por lo que K > 1.
Tenga en cuenta que la cantidad de carga eléctrica en ambas placas o láminas conductoras no cambia, de modo que la cantidad de carga final es igual a la cantidad de carga inicial (Q = Qo). El cambio en la capacitancia del condensador se calcula de la siguiente manera:
C = capacitancia final, Co = capacitancia inicial, Q = carga final, Qo = carga inicial, V = potencial final, Vo = potencial inicial, K = constante dieléctrica
Según la ecuación anterior, se concluye que la capacitancia inicial (Co) es menor, mientras que la capacitancia final (C) es mayor. La capacitancia aumenta en un factor K, donde K es la constante dieléctrica. El valor de la constante dieléctrica varía según el material aislante. La constante dieléctrica (K) es el resultado de la relación entre la capacitancia del condensador con dieléctrico y la capacitancia del condensador sin dieléctrico.
La capacitancia dieléctrica aumenta porque la distancia entre las dos placas conductoras disminuye.
Otra función dieléctrica consiste en reducir la distancia (d) entre las dos placas conductoras. De esta forma, el campo eléctrico (E) y la tensión eléctrica (V) entre las dos placas o láminas conductoras aumentan, según la ecuación E = V / d. Si el campo eléctrico y la tensión eléctrica entre las dos placas o láminas aumentan, entonces la capacitancia del capacitor también aumenta.
Si los condensadores en cuestión están en paralelo, la capacitancia se calcula utilizando la siguiente fórmula:
Basándonos en las dos fórmulas anteriores, se puede concluir que la capacitancia (C) de los condensadores de placas paralelas se puede aumentar reduciendo la distancia entre las dos placas o láminas conductoras (d).
La capacitancia dieléctrica aumenta porque la capacitancia del capacitor aumenta.
El dieléctrico está compuesto de un material aislante que, al estar expuesto a un campo eléctrico intenso, se daña. Este daño se produce cuando el campo eléctrico es tan fuerte que puede desplazar electrones del átomo, provocando que estos electrones choquen con electrones de otros átomos y, en consecuencia, se produzca un flujo de electrones en el dieléctrico. En otras palabras, el daño dieléctrico hace que el material aislante se convierta en un conductor eléctrico.
Para evitar daños, cada dieléctrico fabricado con un material aislante determinado tiene un valor máximo de campo eléctrico que puede soportar, denominado rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica del material aislante es mayor que la del aire, y cada material aislante tiene una rigidez dieléctrica diferente: algunas son pequeñas y otras grandes. Por lo tanto, si se utiliza un dieléctrico con una rigidez dieléctrica elevada, el campo eléctrico que puede soportar es mayor, al igual que la tensión que puede soportar. Si el campo eléctrico y la tensión eléctrica generados por las dos placas o láminas del conductor son mayores, mayor será la cantidad de carga eléctrica que puede alojar la placa conductora. Cuanta más carga haya dentro de la placa conductora, mayor será la capacitancia del condensador.
