Unidad9 CARACTERISTICAS DIELECTRICAS Y AISLAN- TES DE LOS MATERIALES

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1 Unidad9 CARACTERISTICAS DIELECTRICAS Y AISLAN- TES 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. FCM 9 / 105

2 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, r S viene dado por la ecuación: ρ S = π d g siendo R S la resistencia superficial, d M y g el diámetro y anchura del electrodo, respectivamente, definidos según la norma DIN La mayoría de los materiales plásticos muestran resistividades superficiales de y 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 y Ωcm. 2.2 RIGIDEZ DIELECTRICA En los criterios técnicos de cualificación de los materiales aislantes está la magnitud rigidez dieléctrica E R. Expresa la resistencia de un material a ser perforado por una corriente cuando es sometido a una tensión eléctrica. E R = De la ecuación 9.2, en la que V R es la mayor diferencia de potencial soportada antes de ruptura y d el espesor de dieléctrico, se desprende que E R 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. M V d R R S (9.1) (9.2) FCM 9 / 106

3 Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales 3 INDICADORES DEL COMPORTAMIENTO DIELECTRICO 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 (ε 0 = 8' C 2 /Nm 2 ), 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 ε r, según la ecuación 9.3: Hilo de plomo para soldadura de electrodos de plata Soldadura Dieléctrico cerámico Recubrimiento de baño fenólico 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 r = ε ε 0 (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 δ ϕ U = Z I δ U R = R s I ϕ Z U C I = ω C R s 1 ω C Figura 9.2. Relación entre tensión, intensidad y ángulos de pérdidas en un capacitor. Las pérdidas de energía de un condensador, W R, 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 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 FCM 9 / 107

4 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales 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 LA DETERMINACION DE LOS INDICADORES 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. 4.2 DETERMINACION DE LA CONSTANTE DIELECTRICA Figura 9.3. Teraóhmetro. 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: FCM 9 / 108

5 Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales C = S 0 ε (9.6) d en la que S 0 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 ε r ε 0. 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. 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 Figura 9.4. Puente de impedancias LCR para medida de indicadores de propiedades dieléctricas. + δ = 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: π 2 (9.7) tg ϕ = 1 1 Q = (9.8) tg δ D 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 FCM 9 / 109

6 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales 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. Max ~ V A 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 Figura 9.6. Equipo para la determinación de la rigidez dieléctrica. 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. FCM 9 / 110

7 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: 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: C p D t a La capacidad equivalente en paralelo (F). Factor de disipación. Espesor medio del material a ensayar (m). A Area del electrodo de guarda (m 2 ). d Diámetro del electrodo de guarda (m). (38 x 10-3 m o 5 x 10-3 m) ε x (F/m) La constante dieléctrica relativa, del material a ensayar, vendrá dada por la expresión: y el factor de forma será: ε r a p = t C A ε 0 = π t a C p 2 t a d 2 ε 0 d Material a ensayar Electrodos Figura 9.7. Esquema del método de contacto. C p FCM 9 / 111

8 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales METODO DE NO CONTACTO D t = D La figura 9.8 muestra el esquema del montaje de los electrodos para el método de no contacto, cuyos parámetros a medir son: C s1 C s2 D 1 La capacidad en serie cuando no se interpone el material entre los electrodos (F). La capacidad en serie cuando se interpone el material a ensayar (F). Factor de disipación al aire. D 2 Factor de disipación cuando se interpone el material de ensayo. t a t g Espesor medio del material a ensayar (m). Distancia entre los electrodos (medido en el micrómetro) (m). La constante dieléctrica relativa, del material a ensayar, vendrá dada por la expresión: 1 εr = 1-1- C C y el factor de forma será: s1 s2 t t g a t g ta t D t = D 2 + ε r ( D 2 - D 1) t g a C s1-1 Material a ensayar C s2 Figura 9.8. Esquema del método de no contacto. 5.1 INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA EN LA CONSTANTE DIELECTRICA DEL MATERIAL Objetivo de la experiencia Analizar la influencia de la frecuencia en la constante dieléctrica y factor de disipación de diferentes materiales poliméricos 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 Descripción del proceso y equipos FCM 9 / 112

9 Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales Resultados obtenidos Frecuencia de ensayo = 1, 5, 10, 25, 50, 80, 100, 250, 500, 800 y 1000 khz. Parámetros a medir: t g = 5 mm. t a (polimetimetacrilato) = t a (fenolformaldehido) = t a (ftálica sin refuerzo) = t a (ftálica con refuerzo) = Parámetros a obtener: RESULTADOS OBTENIDOS Frecuencia VACIO PMMA BAQUELITA FTÁLICA (khz) C s1 (pf) D 1 C s2 (pf) D 2 C s2 (pf) D 2 C s2 (pf) D FCM 9 / 113

10 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales 1000 RESULTADOS CALCULADOS Frecuencia PMMA BAQUELITA FTÁLICA (khz) ε r D t ε r D t ε r D t INFLUENCIA DEL ESPESOR DEL MATERIAL AISLANTE Objetivo de la experiencia Analizar la influencia del espesor del material aislante en la constante dieléctrica y factor de disipación de diferentes materiales poliméricos Materiales empleados Discos de 30 mm de diámetro de polimetilmetacrilato, fenolformaldehido y resina epoxi Descripción del proceso y equipos FCM 9 / 114

11 Unidad 9 - Características dieléctricas y aislantes de los materiales Resultados obtenidos Frecuencia de ensayo = 500 khz. Parámetros en vacío: C s1 =, D 1 =, t g = 6 mm METACRILATO BAQUELITA FTÁLICA t a C s2 D 2 ε r D t t a C s2 D 2 ε r D t t a C s2 D 2 ε r D t 5.3 INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DEL MATERIAL AISLANTE 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 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 Descripción del proceso y equipos FCM 9 / 115

12 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales Resultados obtenidos Frecuencia de ensayo = 100 khz. Parámetros en vacío: C s1 =, D 1 =, t g = 5 mm. TIPO DE 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 Espesor (mm) C s2 (pf) D 2 ε r D t FCM 9 / 116

13 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? FCM 9 / 117

14 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales ALUMNO APELLIDOS: GRUPO DE PRÁCTICAS: NOMBRE: FECHA DE ENTREGA: RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER FCM 9 / 118

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