En física , el término rigidez dieléctrica tiene los siguientes significados:
La rigidez dieléctrica teórica de un material es una propiedad intrínseca del material en su conjunto y es independiente de la configuración del material o de los electrodos con los que se aplica el campo. Esta "rigidez dieléctrica intrínseca" corresponde a la que se mediría utilizando materiales puros en condiciones ideales de laboratorio. En la ruptura, el campo eléctrico libera electrones ligados. Si el campo eléctrico aplicado es 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 (normalmente en nanosegundos ), lo que da como resultado la formación de una ruta eléctricamente conductora y una descarga disruptiva a través del material. En un material sólido, un evento de ruptura degrada gravemente, o incluso destruye, su capacidad aislante.
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 metales y otros sólidos, algunos de los electrones externos de cada átomo ( electrones de conducción ) pueden moverse por el material; en electrolitos y plasma son iones , átomos o moléculas cargados eléctricamente y 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 resistividad alta; esto se llama aislante eléctrico .
Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande a cualquier sustancia aislante, a una determinada intensidad de campo la concentración de portadores de carga en el material aumenta de repente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en un conductor. Esto se llama ruptura eléctrica . El mecanismo físico que causa la ruptura 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 llamada rigidez dieléctrica .
En los circuitos eléctricos prácticos , la avería eléctrica es a menudo un suceso no deseado, 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 Joule extremo y repentino puede hacer que el material u otras partes del circuito se fundan o se vaporicen de manera explosiva. Sin embargo, la avería en sí es reversible. Si la corriente suministrada por el circuito externo es lo suficientemente limitada, no se produce daño al material, y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de regreso al estado aislante del material.
La intensidad del campo en el que se produce la ruptura depende de las geometrías respectivas 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 suelen contener 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 una 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 . [ aclaración necesaria ] Se utilizan múltiples capas de películas dieléctricas delgadas donde se requiere la máxima rigidez dieléctrica práctica, como en los condensadores de alto voltaje y los transformadores de pulsos . Dado que la rigidez dieléctrica de los gases varía según la forma y configuración de los electrodos, [4] generalmente se mide como una fracción de la rigidez dieléctrica del gas nitrógeno .
Rigidez dieléctrica (en MV/m, o 10 6 ⋅volt/metro) de varios materiales comunes:
En el SI , la unidad de rigidez dieléctrica es el voltio por metro (V/m). También es común ver unidades relacionadas como el voltio por centímetro (V/cm), el megavoltio por metro (MV/m), etc.
En las unidades habituales de los Estados Unidos , la rigidez dieléctrica suele especificarse en voltios por milésima de pulgada (una milésima de pulgada es 1/1000 de pulgada ). [19] La conversión es:
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