Condensadores: susceptibilidad, coeficiente dieléctrico y permitividad
Cuando se coloca un dieléctrico entre dos placas metálicas con cargas opuestas, aparecen cargas inducidas sobre las superficies del material. Estas cargas inducidas reducen parcialmente el campo eléctrico producido por las cargas libres de las placas.
La carga de las placas se denomina carga libre, mientras que la carga que aparece en el dieléctrico se denomina carga ligada o carga inducida.
Si se desprecia el efecto de los bordes, la densidad superficial de carga inducida sobre el dieléctrico puede considerarse uniforme. El campo eléctrico resultante dentro del dieléctrico queda reducido respecto del campo que existiría en el vacío.
La relación entre la densidad de carga inducida y la intensidad del campo eléctrico resultante se denomina susceptibilidad eléctrica del material.
η = σi / E
Donde η representa la susceptibilidad eléctrica, σi la densidad superficial de carga inducida y E el campo eléctrico resultante.
Cuanto mayor es la susceptibilidad de un material, mayor es la carga inducida para un mismo campo eléctrico. En materiales comunes, a temperatura constante y para campos no demasiado intensos, la susceptibilidad puede considerarse aproximadamente constante.
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Figura 8. Cargas inducidas sobre las caras de un dieléctrico colocado en un campo eléctrico exterior.
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Coeficiente dieléctrico
El coeficiente dieléctrico, también llamado constante dieléctrica relativa, indica cuántas veces se modifica el campo eléctrico dentro de un material respecto del vacío.
Se representa generalmente mediante Ke. Aunque muchas veces se lo llama “constante dieléctrica”, ese nombre no siempre es exacto, ya que su valor puede variar con la temperatura, la frecuencia y la intensidad del campo eléctrico.
El coeficiente dieléctrico es una magnitud adimensional, es decir, no posee unidades.
Permitividad o capacidad específica de inducción
El producto entre el coeficiente dieléctrico y la permitividad del vacío se denomina permitividad del material, conocida antiguamente como capacidad específica de inducción.
ε = Ke ε0
Donde ε es la permitividad del material, Ke es el coeficiente dieléctrico y ε0 es la permitividad del vacío.
En el vacío, el coeficiente dieléctrico vale:
Ke = 1
Por lo tanto:
ε = ε0
Las propiedades dieléctricas de una sustancia pueden describirse mediante cualquiera de estas tres magnitudes: susceptibilidad eléctrica, coeficiente dieléctrico o permitividad. Las tres están relacionadas y expresan la forma en que las cargas internas del material se desplazan u orientan cuando se aplica un campo eléctrico exterior.
Aplicación en condensadores
Un condensador, o capacitor, es un dispositivo diseñado para acumular carga eléctrica. Para aumentar su capacidad se utilizan dos placas conductoras colocadas muy próximas entre sí. Cuando una placa se carga, induce una carga opuesta en la otra.
La capacidad de un condensador aumenta cuando:
- aumenta la superficie de las placas;
- disminuye la distancia entre ellas;
- se coloca entre las placas un material dieléctrico de elevada permitividad.
Por esta razón, los dieléctricos son fundamentales en la construcción de capacitores, ya que permiten almacenar mayor cantidad de carga para una misma diferencia de potencial.
Tipos de condensadores
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Condensadores planos.
Están formados por dos láminas conductoras paralelas separadas por una pequeña distancia. Generalmente se coloca un dieléctrico entre las placas para aumentar la capacidad. Son el modelo más sencillo para estudiar el funcionamiento básico de un capacitor.
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Condensadores cilíndricos.
Están formados por dos cilindros conductores, uno interior y otro exterior, separados eléctricamente. También pueden incorporar un dieléctrico. Son comunes en capacitores cerámicos y electrolíticos.
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Condensadores esféricos.
Están formados por dos superficies esféricas conductoras aisladas entre sí. Aunque son menos frecuentes, resultan útiles en ciertas aplicaciones teóricas y técnicas.
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