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• Areelii Vaaldeez

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Aislante eléctrico. Un aislante es algo que logra aislar (hace que un elemento quede apartado de otros; o imposibilita el paso del calor, el sonido u otra cosa). Eléctrico, por su parte, es aquello vinculado a la electricidad: la propiedad física de la materia que se relaciona con el rechazo o la atracción entre sus componentes según la presencia de protones o de electrones. Por extensión, se llama electricidad al tipo de energía que se basa en esta propiedad. Un aislante eléctrico, de este modo, es un material que impide el paso de la electricidad. Esto es posible ya que el material en cuestión no conduce la electricidad (rechaza el flujo de la corriente). En un aislante eléctrico, las cargas tienen dificultades para movilizarse; en los conductores eléctricos, en cambio, dichas cargas se desplazan con gran facilidad. Es importante establecer, entrando más de lleno en la materia, que los aislantes eléctricos se pueden clasificar en dos grandes grupos: -Los inorgánicos. -Los orgánicos. Estos a su vez se dividen en naturales y plásticos o sintéticos. Los últimos podemos determinar que se clasifican en cuatro grupos: termoplásticos, plásticos duros, plásticos de celulosa y elastómeros. Si se analiza el fenómeno con mayor precisión, hay que decir que los átomos se constituyen por un núcleo con carga positiva (protones y neutrones), en torno al cual giran cargas negativas (electrones). Estos electrones, en los conductores, pasan de un átomo a otro cuando, en los extremos del material conductor, se aplica tensión eléctrica, produciéndose la corriente eléctrica. Los aislantes eléctricos, a diferencia de los conductores, ejercen una gran resistencia a ese movimiento de los electrones. La cinta aisladora o cinta aislante es uno de los aislantes eléctricos más usados en la vida cotidiana. Se trata de una cinta adhesiva hecha con PVC que se utiliza para cubrir cables. Numerosos son los materiales que se pueden utilizar porque cuentan con un notable poder como aislante eléctrico. Este sería el caso, por ejemplo, del teflón, el vidrio, la madera, la cerámica, el cuarzo, el hule o la mica. Esos se emplean en numerosas instalaciones eléctricas y construcciones para evitar que se pueda producir un daño o un serio problema en ese sentido. No obstante, también se recurre al empleo de otros como son la fibra de vidrio, el

corcho, el agua pura, la fibra de carbono, el lino o el cáñamo y el poli estireno extruido. Aislantes inorgánicos. En los comienzos de la electrotécnica los materiales aislantes inorgánicos desempeñaron un papel importantísimo. Mientras antiguamente se utilizaron todo tipo de materiales naturales, actualmente sólo se emplean materiales sintéticos. Por ejemplo, el mármol, antaño tan utilizado, casi no se aplica actualmente. Sin embargo, en algunos campos de la técnica moderna son insustituibles los aislantes inorgánicos. Aislantes inorgánicos: aire, mica, asbesto, cerámica, vidrio. El aislante más barato, el aire se empleaba antiguamente más que ahora. No obstante, aún no ha perdido toda su importancia (por ejemplo, en las líneas aéreas y en las instalaciones de comunicación). Mediante tensiones suficientemente altas puede lograrse que los gases sean conductores, generando iones al arrancarles los electrones. Por ello en los gases es más importante la rigidez dieléctrica que la resistividad de paso. La mica y el asbesto (amianto) son minerales. La mica se encuentra en forma de hojas, mientras que el asbesto se presenta como material fibroso. Los aislantes cerámicos se forman a partir de silicatos pulverizados (SiO2) y otros óxidos metálicos, y se cuecen a continuación. Por tanto, se trata de un proceso de sintetización. Finalmente se les suele proveer de un revestimiento vitrificado para evitar la entrada de agua al desgastarse los poros. La gran multitud de posibles materiales está normalizada según sus materias primas en distintos grupos subdivididos a su vez. Todos tienen determinadas propiedades comunes, más o menos marcadas según los casos. Los aislantes cerámicos (excepto la esteatita) son:    

Duros Muy frágiles Resistentes a las roturas por cargas estáticas Resistentes a la tracción (hasta 60 N/mm2, excepto los óxidos y muy resistentes  a     las presión(hasta 2100 N/mm2 )   Resistentes  a los ácidos (excepto al ácido fluorhídrico)  Resistentes a las lejías

 Después de conocerlos sólo se pueden mecanizar por esmerilado en húmedo La tabla (1) indica los grupos principales con algunos representantes típicos, así como algunos datos importantes. Los materiales cerámicos se obtienen por sintetización. En cambio el vidrio es una mezcla, siendo sus sustancias de partida arena (dióxido de silicio, sílice o cuarzo), carbonato sódico y carbonato cálcico.  1.- Aislantes cerámicos

El vidrio es:       

Incoloro y trasparente Muy duro Muy frágil Muy poco resistente a los golpes Resistente a los ácidos (excepto el fluorhídrico) Mal conductor del calor Nada higroscópico

 Mecanizable sólo por esmerilado en húmedo o con herramientas de ultrasonido El vidrio tiene una gran resistividad de paso (ρD = 1013 Ω∙m = 1017 µΩ∙m) pero un coeficiente de temperatura negativo, por lo que conduce cuando está incandescente (aproximadamente a 700°C).   Datos sobre mecanizado. La cerámica y el vidrio son muy duros y frágiles, por lo que únicamente pueden mecanizarse por esmerilado o con cuchillas de diamante. Tampoco pueden dividirse por otros métodos, aunque sin embargo pueden partirse con las medidas deseadas después de rayar su superficie («corta vidrio»). Aislantes orgánicos naturales. Vamos a tratar ahora algunos materiales que son sustancias naturales más o menos elaborados y de origen orgánico. Aunque no son, pues, materias primas se las denomina aún materiales naturales. Materiales aislantes importantes son: papel, tejidos, goma, alquitrán, aceites, clofeno. El papel se fabrica a partir de madera molida mediante un «proceso de cocción ». Es combustible e higroscópico, por lo que debe tratarse antes de emplearlo para fines de aislamiento. Este tratamiento suele ser un impregnado. La permisividad relativa y la rigidez dieléctrica son elevadas. Por ello se emplea papel como dieléctrico en los condensadores. También se aplica como aislantes de hilos y bobinados en líneas, cables y bobinas, aunque también es este campo se van imponiendo cada vez más las hojas de materiales plásticas. Los tejidos empleados en electrotecnia se fabrican de diferentes materiales, como algodón, lino, cáñamo, yute y seda. Las diferentes fibras se hilan primero y a continuación se suelen tejer los hilos. Como los tejidos son también higroscópicos, se les suelen impregnar casi siempre. Campos de aplicación: aislamiento de líneas (actualmente cada vez menos), encintado de bobinados, relleno  de líneas, hilos para caracterización de líneas. La goma: 

Se obtiene del caucho natural.

 Es muy extensible (hasta el 600%)  No es higroscópica  Es poco resistente a la intemperie (se vuelve frágil y se rompe)  Es soluble en gasolina, benzol, aceite y ácidos fuertes  Es combustible  Es muy poco resistente al calor(temperatura máxima 60°C) Su resistividad es aproximadamente igual a la de la mica (ρ = 1016 Ω ∙ cm= 1020  µΩ ∙ m), mientras que su rigidez dieléctrica es ligeramente menor (aproximadamente 25kV/mm2), o sea aproximadamente 2,5 veces mayor que la del papel no tratado. Campos de aplicación En electrotecnia la goma se emplea casi exclusivamente como aislamiento de líneas móviles. Sin embargo, actualmente se emplea mucho más la goma sintética. El alquitrán es uno de los productos que se obtienen de la destilación del petróleo, aunque también se encuentra en la naturaleza impregnando determinadas rocas llamadas bituminosas. Es un líquido viscoso a temperatura ambiente, por lo que se le calienta a temperaturas entre 100 y 200°C para su tratamiento. Campos de aplicación: Masa imprégnate o pez aislante. También el alquitrán se sustituye cada vez más por plásticos. Los aceites minerales se llaman así porque se obtienen del petróleo. Los aceites empleados en electrotecnia deben estar exentos de humedad, porque ya unas cantidades mínimas provocan un considerable empeoramiento de la resistividad, la permitividad relativa y la rigidez dieléctrica. Campos de aplicación: aislamiento y refrigeración de trasformadores, apagado de arcos voltaicos en instalaciones de conmutación, dieléctrico en condensadores grandes. El clofeno se obtiene a partir del cloro y del benceno, y también es líquido a temperatura ambiente. El clofeno tiene la misma resistividad que el aceite mineral pero una rigidez dieléctrica mucho mayor. Su estabilidad química es también mucho mejor que la de los aceites, aunque  los arcos voltaicos lo descomponen pero sin quemarlo.

El clofeno tiene los mismos campos de aplicación que los aceites minerales siempre que se tengan en cuenta las características ya citadas. Plásticos de celulosa. Estos plásticos se forman a partir de la celulosa. Como la celulosa se obtiene de sustancias vegetales como la madera los consideraremos materiales naturales, que se someten a continuación a un tratamiento para dar sustancias de características plásticas.  Por ello clasificaremos estos materiales entre los plásticos  y los materiales naturales. Entre otros citaremos lo siguientes materiales sintéticos obtenidos a partir  de la celulosa: cartón prespán, papel charol, nitrato de celulosa, acetato de celulosa. El cartón prespán se fabrica prensando varias capas de papel impregnadas en resina, con lo que aumenta su resistencia mecánica. El prespán se utiliza en los cuerpos de bobinas, placas aislantes y aislamiento de ranuras. El papel charol es un papel impregnado en esmaltes sintéticos que se utiliza para el aislamiento de bobinas. El acetato de celulosa se obtiene de la celulosa tratada con ácido acético. Campos de aplicación: hojas de material aislante, piezas moldeadas por inyección para botones de interruptores, etc. Nombres comerciales: Cellidur, Trolit, Ultrafán Termoplásticos. Los termoplásticos constituyen un subgrupo de los plásticos. Para empezar vamos a ocuparnos de todo el conjunto de materiales llamados plásticos. Los plásticos se diferencian de todas las demás sustancias porque se componen de moléculas enormes (macromoléculas).  Los plásticos son en general:         

Químicamente estables Fáciles de colorear Resistentes a la corrosión Poco resistentes a la temperatura (temperatura máxima 120°C) Buenos aislantes térmicos Malos conductores eléctricos No higroscópicos Fáciles de mecanizar sin arranque de virutas Más ligeros que los metales ligeros ρ = 0,9… 2 kg/dm3.

Los plásticos tienen en general:  Peores propiedades mecánicas que los metales  Grandes dilataciones térmicas   Al calentar las macromoléculas enmarañadas se separan unas de otras debido al movimiento térmico, con lo que el material pierde su rigidez y puede conformarse fácilmente (extrusión, inyección, etc.). Al enfriarse, los movimientos se vuelven a reducir, con lo que el material recobra su rigidez. Este proceso puede repetirse, aunque los cambios frecuentes de temperatura pueden destruir algunas macromoléculas, con lo que se perderían las propiedades plásticas. Los termoplásticos son conformables en caliente. Los termoplásticos no pueden endurecerse (revenirse) Podemos deducir, pues, que sobre todas las propiedades mecánicas de los termoplásticos se modificarán fuertemente al calentarlos. Esto significa que los termoplásticos sólo podrán aplicarse dentro de determinados márgenes de temperatura. Según cual sea su composición la máxima temperatura de régimen estará entre 80°C y 160°C. La gran cantidad de plásticos se clasifican por sus propiedades eléctricas, térmicas, ópticas, mecánicas, y de duración, según unos prefijos compuestos por letras, tales como ABS, CA, etc., algunos de los cuales forman parte actualmente del lenguaje corriente, por ejemplo PVC (cloruro de polivinilo) . Después de estas consideraciones generales vamos a ocuparnos ahora específicamente de los polímeros termoplásticos, blastómeros o simplemente termoplásticos. Por tanto los termoplásticos son, a temperatura ambiente, elásticos o blandos, aumentando su rigidez y dureza a temperaturas bajas hasta llegar hacer incluso frágiles. Por ello al utilizar termoplásticos no sólo deberán tenerse en cuenta determinadas temperaturas máximas, sino también temperaturas mínimas. La gran variedad y formas de los plásticos  no nos permiten hacer afirmaciones generales sobre las correspondientes magnitudes. Datos sobre su mecanizado:

Los termoplásticos se mecanizan principalmente sin arranque de virutas, a temperaturas que van de los 100°C a los 300°C. No obstante es también fácil cortarlos, serrarlos o perforarlos. Como en los metales blandos el ángulo de filo puede ser pequeño. Los ángulos de ataque y de desbullo pueden ser grandes. Conductores y aislantes.

En un conductor, puede fluir la corriente eléctrica libremente, en un aislante no puede. Los metales tales como el cobre son conductores típicos, mientras que la mayoría de los sólidos no metálicos, se dice que son buenos aislantes, presentando una extremadamente alta resistencia al flujo de las cargas a través suyo. El material "conductor" implica que los electrones más externos de sus átomos están débilmente ligados y libres para moverse a través del mismo. La mayoría de los átomos tienen sus electrones fuertemente ligados y son aislantes. En el cobre, los electrones de valencia están esencialmente libre y se repelen fuertemente unos a otros. Cualquier influencia externa que mueva uno de ellos originará una repulsión de otros electrones que se propagará con un "efecto dominó", a través de todo el conductor. Dicho de manera simple, la mayoría de los metales son buenos conductores eléctricos, la mayoría de los no metales, no lo son. Los metales también son generalmente buenos conductores del calor, mientras que los no metales, no lo son.

Aislantes. La mayoría de los materiales sólidos, están clasificados como aislantes, porque ofrecen una gran resistencia al flujo de la corriente eléctrica. Los metales están clasificados como conductores porque sus electrones exteriores no están fuertemente ligados, pero en la mayoría de los materiales, aún los electrones mas externos están tan fuertemente ligados, que existe esencialmente un flujo de electrones cero, a través de ellos con voltajes ordinarios. Algunos materiales son particularmente buenos aislantes y se pueden caracterizar por su alta resistividad: Resistividad (ohmio m) Vidrio

1012

Mica

9 x 1013

Cuarzo (fundido) 5 x 1016 Comparado esto con la resistividad del cobre: Resistividad (ohmio m) Cobre 1,7 x 10-8

Bandas de energía en aislantes. La mayoría de las sustancia sólidas son aislantes, y en términos de la teoría de bandas de sólidos esto implica, que hay un gran espacio prohibido entre las energías de los electrones de valencia, y la energía a la cual se pueden mover los electrones libremente por el material (la banda de conducción). El vidrio es un material aislante que puede ser transparente a la luz visible, por razones estrechamente relacionadas con su naturaleza como aislante eléctrico. Los fotones de luz visible no tienen suficiente energía cuántica para saltar la banda prohibida, y levantar los electrones hasta un nivel de energía disponible en la banda de conducción. Las propiedades de visibilidad del vidrio también pueden dar una idea de los efectos del "dopaje" en las propiedades de los sólidos. Un porcentaje muy pequeño de átomos de impurezas en el vidrio, puede darle color al

proporcionarle los niveles específicos de energía disponibles, que absorben ciertos colores de la luz visible. Por ejemplo, el mineral de rubíes (corindón), es un óxido de aluminio con una pequeña cantidad (alrededor de 0,05%) de cromo, el cual le dá su característico color rosado o rojo, por la absorción de la luz verde y azul. Mientras que el dopaje de aislantes puede cambiar drásticamente sus propiedades ópticas, no es suficiente para superar la gran brecha de banda para hacerlos buenos conductores de electricidad. Sin embargo, el dopado de semiconductores tiene un efecto mucho más acentuado en su conductividad eléctrica, y es la base para la electrónica de estado sólido. Bandas de energía en semiconductores. En los semiconductores intrínsecos como el silicio y el germanio, el nivel de Fermi está esencialmente a mitad de camino entre las bandas de valencia y conducción. Aunque no ocurre conducción a 0ºK, a temperaturas superiores un número finito de electrones pueden alcanzar la banda de conducción y proporcionar algo de corriente. En un semiconductor dopado, se agregan niveles de energía extras. El aumento de la conductividad con la temperatura, se puede modelar en términos de la función Fermi, la cual, permite calcular la población de la banda de conducción. Bandas de Energía en Conductores En términos de la teoría de bandas en sólidos, los metales son únicos como buenos conductores de la electricidad. Esto puede verse como el resultado de que sus electrones de valencia están esencialmente libres. En la teoría de bandas, esto se dibuja como una superposición de la banda de valencia con la banda de conducción, para que al menos una fracción de los electrones de valencia pueda moverse a través del material.

Bandas de energía del silicio. A temperatura finita, el número de electrones que alcanzan la banda de conducción y contribuyen a la corriente se puede modelar con la función de Fermi. Esa corriente es pequeña comparada con la de los semiconductores dopados bajo las mismas condiciones.

Polarización de dieléctrico. Si un material contiene moléculas polares, estarán normalmente en una orientación aleatoria cuando no tiene un campo eléctrico aplicado. Si se aplica un campo eléctrico, polarizará al material, orientando los momentos de dipolos de las moléculas polares. Esto disminuye el campo eléctrico efectivo entre las placas y aumentará la capacidad en una disposición de placas paralelas. El dieléctrico debe ser un buen aislante eléctrico para reducir al mínimo las fugas de corriente DC a través del condensador. La presencia del dieléctrico disminuye el campo eléctrico producido por una determinada densidad de carga.

El factor k por el que el campo eléctrico disminuye por la polarización del dieléctrico se llama constante dieléctrica del material. Placas paralelas con dieléctrico. La capacidad de un conjunto de placas paralelas cargadas, se incrementa por la inserción de un material dieléctrico. La capacidad es inversamente proporcional al campo eléctrico entre las placas y la presencia del dieléctrico reduce el campo eléctrico efectivo. El dieléctrico se caracteriza por una constante dieléctrica k y la capacidad se multiplica por ese factor.

Cuando se coloca un dieléctrico entre las placas cargadas, la polarización del medio produce un campo eléctrico opuesto al campo de las cargas de las placas. La constante dieléctrica k se define para reflejar la cantidad de reducción del campo eléctrico efectivo como se muestra abajo. La permitividad es una característica del espacio, y la permitividad relativa o "constante dieléctrica" es una manera de caracterizar la reducción en el campo efectivo como consecuencia de la polarización del diléctrico.

La capacidad de una distribución de placas paralelas se incrementa por el factor k.