En física , el término rigidez dieléctrica tiene los siguientes significados:
La rigidez dieléctrica teórica de un material es una propiedad intrínseca del material a granel 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 el momento de la ruptura, el campo eléctrico libera los 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 mediante colisiones con átomos o moléculas neutrales, en un proceso conocido como ruptura por avalancha . La descomposición se produce de forma 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, una rotura degrada gravemente, o incluso destruye, su capacidad aislante.
La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas eléctricamente en un material provocado por un campo eléctrico . Las partículas móviles cargadas responsables de la corriente eléctrica se denominan portadores de carga . En diferentes sustancias, diferentes partículas sirven como portadores de carga: en los 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 determinado 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 repentinamente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en un conductor. Esto se llama avería eléctrica . El mecanismo físico que causa la descomposición 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 del campo a la que se produce la descomposición es una propiedad intrínseca del material llamada rigidez dieléctrica .
En los circuitos eléctricos prácticos , las averías eléctricas suelen ser un hecho no deseado, una falla del material aislante que provoca 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 extremo y repentino de Joule puede hacer que el material u otras partes del circuito se derritan o se vaporicen explosivamente. Sin embargo, la ruptura en sí es reversible. Si la corriente suministrada por el circuito externo es suficientemente limitada, no se daña el material y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de regreso al estado aislante del material.
La intensidad del campo con la que se produce la ruptura depende de las respectivas geometrías 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 generalmente contienen defectos diminutos, la rigidez dieléctrica práctica será significativamente menor que la rigidez dieléctrica intrínseca de un material ideal y 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 con 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 a la tunelización de electrones . [ se necesita aclaración ] Se utilizan múltiples capas de películas dieléctricas delgadas cuando se requiere la máxima rigidez dieléctrica práctica, como capacitores de alto voltaje y 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 ⋅voltios/metro) de varios materiales comunes:
En el SI , la unidad de rigidez dieléctrica es voltios por metro (V/m). También es común ver unidades relacionadas como voltios por centímetro (V/cm), megavoltios por metro (MV/m), etc.
En las unidades habituales de los Estados Unidos , la rigidez dieléctrica a menudo se especifica en voltios por mil (una mil es 1/1000 de pulgada ). [16] La conversión es:
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