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Dieléctricos sólidos inorgánicos - Monografía



 
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Materiales cerámicos. Clasificación. Propiedades. Características. Esteatita. Titanio. Coeficiente de Dilatación. Aislador de Porcelana. Aislantes cerámicos. Mica. Condensadores. Segnotocerámicas



INTRODUCCION



Los dieléctricos sólidos inorgánicos son un grupo de elementos que poseen un conjunto de características comunes, especialmente en su composición química, que los permite englobarlos en esta categoría. A este grupo de los dieléctricos sólidos inorgánicos lo podemos clasificar en dos subgrupos principales, debida al mayor empleo de estos dos grupos de materiales en el campo de la electricidad, estos son las materiales cerámicos y las micas.

De ambos se hablará en detalle, pero de forma más amplia se hablará del grupo de los cerámicos, ya que estos son más ampliamente usados debido a algunas cualidades y factores que se describen más adelante. Las micas también tienen su campo de aplicación pero por factores como su precio afectan su amplia aplicación. Dentro de este grupo de las micas veremos cuales son las más importante y cuales son sus usos más frecuentes.

También se hablará en detalle de un tipo especial de material cerámico, la porcelana que ampliamente usada en los aislamientos del tendido eléctrico que vemos por las calles. Y por ultimo veremos en detalle el empleo de los materiales cerámicos en condensadores. Hemos tratado de centrarnos en las características eléctricas de los materiales y sus aplicaciones, y no tanto en su elaboración y obtención.

DIELECTRICOS SOLIDOS INORGANICOS.



- MATERIALES DE ELECTROCERAMICO



Los materiales cerámicos contienen fases que son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Podemos citar muchos de estos compuestos que van desde el Al2O3 a los vidrios inorgánicos, a los productos arcillosos y a los piezoeléctricos complejos como el Pb (Zr, Ti)O3. En general, encontraremos que los compuestos cerámicos son más estables que sus componentes con respecto a los ambientes térmicos y químicos; por ejemplo, el Al2O3 como compuesto, en comparación al aluminio y al oxígeno separadamente. Puesto que los compuestos involucran por su naturaleza coordinaciones atómicas más complejas que sus elementos correspondientes, encontraremos que hay mayor resistencia al deslizamiento, por lo que las cerámicas son generalmente más duras, con frecuencia más fuertes y siempre menos dúctiles que sus que sus contrapartes metálicas o polimericas. Las características dieléctricas, semiconductoras y magnéticas de cerámicas selectas son particularmente valiosas para los científicos e ingenieros que diseñan o utilizan dispositivos para circuitos electrónicos.

FASES CERAMICAS



El termino cerámica nos es familiar como un adjetivo que nos describe artesanía. Para el ingeniero, sin embargo, las cerámicas comprenden una amplia variedad de sustancias, tales como vidrio, ladrillo, piedra, concreto, abrasivos, porcelanas esmaltadas, aislantes dieléctricos, materiales magnéticos no metálicos. Aunque los materiales cerámicos no son tan simples como los metales pueden clasificarse y entenderse en términos de sus estructuras internas.

Comparación de fases cerámicas y no cerámicas. La mayoría de los minerales cerámicos, al igual que los metales, tienen estructura cristalina. Sin embargo, su estructura no contiene un gran numero de electrones libres. Los electrones están compartidos covalentemente entre átomos adyacentes, o bien son transferidos de un átomo a otro para producir un enlace iónico, en cuyo caso los átomos se ionizan y adquieren una carga.

Comparada con la de los metales, las estructuras cristalinas de los materiales cerámicos son relativamente complejas. Esta complejidad y la mayor resistencia de los enlaces que mantienen unidos a los átomos hacen lentas las reacciones cerámicas. Por ejemplo, a velocidades de enfriamiento normales, el vidrio no tiene tiempo de rearreglarse en una estructura cristalina complicada y, por lo tanto, a la temperatura ambiente permanece por largo tiempo como un liquido sobreenfriado.

Las estructuras y propiedades de compuestos cerámicos y metálicos. Contienen elementos semimetálicos y cuyas estructuras comprenden una combinación de enlaces metálicos y covalentes. Las espínelas ferromagneticas son otro ejemplo. Debido a la falta de electrones libres no son buenos conductores de la electricidad, sin embargo, los átomos pueden estar orientados dentro de la estructura cristalina, de modo que poseen las propiedades magnéticas normalmente asociadas con el hierro y otros metales similares.

DEFINICION Y PROPIEDADES GENERALES.



Los materiales cerámicos están fabricados por procedimientos especiales (conformado y cocción en hornos) a base exclusivamente de productos inorgánicos (es decir, que no contienen carbono) de alto punto de fusión. Las mezclas se forman agregando agua a la sustancia molida, para formar una masa o pasta que adquiera consistencia antes de la cocción se da a la masa la forma deseada por vaciado, a presión o por torneado y los objetos se cuecen en hornos a altas temperaturas (1800 C); por sintetizaron, recristalización y fusión de los pequeños componentes vítreos, pasan a formar la pieza terminada, con una concentración de volumen, que resulta siempre de cierta importancia. Por lo general, las piezas acabadas, se revisten con un barniz vitrificante blanco.

En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades dieléctricas. La composición de estos materiales no es exactamente la misma que la de los productos cerámicos ordinarios. Se preparan de la misma forma y se endurecen a continuación, mediante reacciones químicas, fenómenos de cristalización a altas temperaturas. Todos los materiales cerámicos usados en Electrotecnia tienen una resistencia especial al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en fuertes concentraciones, a excepción del ácido fluorhídrico.

Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente:

a) Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.)
b) Silicatos magnesicos (talco)

A estos componente fundamentales se añaden muchos otros componentes secundarios como: el cuarzo, el feldespato, la alumina, el carburo silícico, etc., y que se añaden en proporciones adecuadas según las cualidades buscadas.

Los materiales cerámicos empleados en la electrotecnia de la alta frecuencia, que tienen elevada constante dieléctrica, no están constituidos a base de silicatos, sino que contienen óxido de titanio en elevada proporción.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES CERAMICOS.



Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámicos:

a) Materiales compactos, es decir, estancos a la humedad, caracterizados por sus mejores propiedades mecánicas; estos materiales pueden barnizarse con un material vítreo.

b) Materiales porosos, o sea, no estancos a la humedad y que se caracterizan por sus mejores propiedades térmicas que los anteriores, en detrimento de propiedades mecánicas. Se emplean como soportes y aislantes de hilo incandescentes, calefacciones eléctricas, etc. Resisten bien los cambios bruscos de temperatura. No se pueden barnizar.

Según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos:

Grupo I.



Comprende los materiales constituidos predominantemente de silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.). Sus propiedades constituyen un termino medio entre los demás materiales. Se usan mayormente para aislante de alta y baja tensión, a frecuencias industriales. Los materiales de este grupo son de estructura compacta, los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.

Grupo II.



Comprende los materiales en cuya constitución entra, en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco). Se caracterizan por su pequeño factor de perdidas dieléctricas, gran resistencia mecánica y pequeña contracción de volumen antes y después de la cocción. Se emplean para aisladores de alta y baja tensión y también en aplicaciones de alta frecuencia. El material más representativo de este grupo es la esteatita.

Grupo III.



De este forman parte los materiales cerámicos con alta proporción de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Se caracterizan por su elevada constante dieléctrica, con un reducido factor de pérdidas, incluso a altas frecuencias, por lo que resultan muy adecuados como dieléctricos para condensadores. Son de estructura compacta. Los más empleados son los de bióxido de titanio como material básico, y se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.

Grupo IV.



En este se agrupan los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido, lo cual evita que con altas temperatura se produzcan tensiones mecánicas internas elevadas, por lo que resisten grandes calentamientos y pueden usar para la protección de arcos eléctricos de chispa y luminosos, bujías de encendido para automóviles, soporte para conductores de hornos eléctricos, etc. Son de estructura compacta. Se conocen con los nombres comerciales de Ardostan, Sipa, etc.

Grupo V.



Al contrario de materiales de los grupos anteriores, estos tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan por su gran resistencia al calor. Resultan materiales muy apropiados como soportes y aislamientos de conductores en calefacción eléctrica, esta es su principal aplicación. Se conocen comercialmente como: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita, etc.


Porcelana electrotécnica



Es el más importante de los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia. Los materiales básicos que la componen, son:

1) el caolín o tierra de porcelana que en un silicato de aluminio hidratado, su formula química es

Al2 O3 - 2Si O2 - 2H2 O

Se trata de un material blanco o ligeramente amarillento, muy blando y de tacto algo grasiento; su peso especifico es de 2.2 a 2.6 Kg/cm3. Se reblandecen, sin fundir, a 1880 y absorbe fácilmente la humedad.

2) el cuarzo u óxido de silicio, de formula

Si O2

Material de gran dureza, que funde a 1720 C, siendo su punto de reblandecimiento, de unos 1500 C.

3) el feldespato, nombre genérico de un grupo de minerales petrogenéticos o formados de rocas. Todos los feldespatos son silicatos anhídridos de aluminio, con potasio, sodio y calcio. El feldespato de potásico es el más empleado en la fabricación de porcelana y su formula química aproximada es

K2 O - Al2 O3 - 6 Si O2

Los tres materiales citados se mezclan bien y se amasan con agua, quitando las impurezas. El agua se elimina después mediante filtros-prensa. Dejando la masa humedecida durante cierto tiempo se vuelve plástica. Luego se espesa, amasándola y batiéndola. Antes de la cocción se le da la forma debida, mediante tres procedimientos distintos:
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a) Moldeo por prensado que se emplea para aplicaciones en baja tensión, en moldes de acero. Con este método se obtienen piezas de dimensiones muy precisas, pero la porcelana obtenida es un material no uniforme, con grietas o fisuras, por lo que sus cualidades eléctricas no son muy buenas.

b) Moldeo a torno usado para aplicaciones en alta tensión: aisladores de apoyo y de cadena, pasamuros, pasatapas, etc. Se elaboran en tamaños y formas convenientes y se colocan en moldes de yeso, los cuales determinan la forma de la superficie exterior. A las partes que no están en contacto con el molde se la da la forma deseada con maquina o a presión.

c) Moldeo por calado, es decir, porcelanas preparadas por fundición. Las piezas que han de tener alta rigidez dieléctrica y formas complicadas, pueden elaborarse con el material liquido en moldes de yeso, compuestos de varias partes. Las piezas coladas se extraen de los moldes cuando han adquirido suficiente rigidez para poder ser manipuladas sin deformarse, las pastas se dividen en bloques y se llevan a los moldes, para luego ser cocidas a una temperatura de 900 C, esmaltándolas después.

El examen de la porcelana electrontécnica revela una masa de estructura análoga a la del vidrio, en la que se encuentran partículas amorfas, pequeños cristales, restos de cuarzo y de caolín y pequeñas burbujas de aire. Estas ultimas, a pesar del proceso de fusión, no llegan a ponerse en contacto entre sí, lo que explica la impermeabilidad de la porcelana al agua y los gases.

El esmaltado, además de proteger a la porcelana, aumenta su resistencia mecánica, aunque no tiene influencia sobre las propiedades dieléctricas. Se considera que el esmaltado aumenta en un 20 a un 40% las resistencias a la tracción y a la flexión.
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La composición aproximada de la porcelana electrotécnica para usos generales, es la siguiente:

50 % de caolín
25 % de cuarzo
25 % de feldespato

Esta porcelana, que podríamos considerar básica, tiene unas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio. Si se quieren fabricar porcelanas especiales en la que predominen una de las propiedades anteriores, deben variarse las proporciones de los componentes básicos. Según se expresa en la figura, como se ve el aumento de caolín aumenta la resistencia térmica de la porcelana, pero a costa de las propiedades mecánicas; la elevación del porcentaje de cuarzo, aumenta también la resistencia mecánica, pero en detrimento de la resistencia térmica; y se crece el contenido de feldespato, se mejoran las propiedades eléctricas del producto final.

Las propiedades generales de la porcelana electrotecnia son:

a) excelentes características dieléctricas.
b) Gran resistencias mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.
c) Impermeable al agua y a los gases
d) Inatacable por los álcalis y ácidos concentrados, excepto el ácido flurhídrico.
e) Soporta perfectamente grandes cambios de temperatura y su temperatura máxima de servicio son muy elevadas (1000 C en adelante).

Las siguientes figuras muestran como varían estas propiedades en función de algunos factores adicionales.

LOZA ELECTROTÉCNICA.



Su composición es muy parecida a la de la porcelana, excepto que, en lugar de caolín se utiliza en su fabricación la arcilla cocida. Después de la cocción, puede esmaltarse exteriormente.

La loza electrotécnica resiste muy bien los efectos químicos y soporta sin inconvenientes los cambios de temperatura, pero sus propiedades aislantes son inferiores a la de la porcelana.

Sus ventajas están en su menor coste y en la posibilidad de conseguir piezas de mayor tamaño que con la porcelana.

Generalmente, se emplean en baja tensión para la fabricación de placas de base y, en alta tensión con envolvente de protección en pasamuros al aire libre, en transformadores de medida, etc; es decir, en los casos donde no existen elevadas solicitudes eléctricas, reservándose, sobre todo, para proteger de las influencias atmosféricas los elementos de mayor valor aislante.

ESTEATITA.



El material en bruto, finamente molido, se mezcla con agua, para formar una pasta fácil de moldear de la cual, a torno, se hacen los aisladores y otros objetos. Por cocción la esteatita se convierte en una masa compacta, constituida por cristales de silicato de magnesio. Las propiedades eléctricas de esta pueden mejorarse aumentando el contenido de óxido de magnesio, pero con ello se reduce la facilidad para la manipulación de la masa.

No se deja esmaltar por la diferencia del coeficiente de dilatación de esta y el material de esmalte, el esmalte se resquebraja y termina desprendiéndose.

La esteatita se emplea cuando los aisladores u otros objetos fabricados con este material, deben soportar grandes esfuerzo mecánicos, ya que su resistencia a la tracción, compresión y la flexión tienen, aproximadamente, un valor doble a las correspondientes de la porcelana. Sus propiedades dieléctricas son también mejores que las de la porcelana, especialmente, su pequeño factor de pérdidas dieléctricas, incluso a altas temperaturas, la hace muy apropiada para la fabricación de objetos aislantes para telecomunicación, electrónica, etc.

Para la aplicación de la esteatita en condensadores, por adición de pequeña cantidades de óxido de titanio, han podido obtenerse materiales cerámicos cuya constante dieléctrica es 80 (recuerde que para la porcelana ordinaria, el valor era entre 5 y 6.5).

El principal inconveniente de esta es su alto coste, que limita su empleo a pequeñas piezas aislantes o a los casos en que se necesiten excepcionales condiciones de resistencia mecánica, bajo factor de pérdida, etc.

MATERIALES CERAMICOS A BASE DE COMPUESTOS DE TITANIO.



Estos materiales cerámicos están incluidos en el Grupo III. Se caracterizan por una elevada constante dieléctrica, unido a un pequeño factor de pérdidas dieléctricas, incluso a muy altas frecuencias, por lo que resultan muy adecuados para el aislamiento de condensadores.

El principal constituyente de este grupo es el óxido de titanio, que tiene una constante dieléctrica media igual a 117, valor que se conserva a altas frecuencias de hasta 3 x 106 MHz. Pero por su alto precio se usa en casos especiales. A bajas frecuencias el factor de pérdida es más elevado en los materiales cerámicos a base de óxido de titanio, lo que limita su aplicación a la alta frecuencia. También pertenecen a este grupo los materiales cerámicos que contienen titanio de magnesio.

MATERIALES CERAMICOS DE REDUCIDO COEFICIENTE DE DILATACION.



Estos materiales cerámicos están incluidos en el Grupo IV. Tienen estructura compacta, gran resistencia a las variaciones bruscas de la temperatura y conservan sus propiedades dieléctricas, incluso a altas temperaturas, se emplean sobre todo, para protecciones aislantes contra arcos de chispa y luminosos. Pueden clasificarse en tres subgrupos:

- Productos con gran contenido de compuestos de aluminio.
- Productos con gran contenido de silicatos magnésicos.
- Productos con mezcla de compuestos de aluminio y de magnesio.

- AISLADORES DE PORCELANA


La porcelana es un material que pertenece al grupo SILICATO ALUMINICO y se emplea ampliamente en aisladores eléctricos. Su misión principal es: a) evitar el contacto de diferentes partes conductoras y b) proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas.

La resistencia de paso 104640.gifes la resistencia que presenta un cubo de 1 cm de arista de porcelana.

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La resistencia dieléctrica E de un aislador de porcelana mide la tensión a la que se produce una descarga disruptiva entre dos electrodos.

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La permeabilidad relativa de un aislador de porcelana es Er = 6. Esto nos indica en que proporción aumentan los efectos capacitivos con respecto al aire, en los alrededores de un aislador de porcelana.

Es importante recalcar que a altas tensiones pueden aparecer corrientes eléctricas como consecuencia de depósitos sobre la superficie del aislador de porcelana. Al cabo de un cierto tiempo la corriente podría atacar a estos materiales de porcelana. Por ello debe comprobarse su resistencia superficial a las corrientes de fuga.

RIGIDEZ DIELECTRICA DE UN AISLADOR DE PORCELANA.



La rigidez dieléctrica de un aislador de porcelana es el gradiente de potencial máximo que el material puede resistir sin ruptura. Practimente su suele reportar como el voltaje de ruptura dividido entre el espesor entre electrodos, independientemente de las concentraciones de fuerzas en los electrodos.

La ruptura requiere no solo un suficiente esfuerzo eléctrico sino también una cierta cantidad mínima de energía. En los aisladores de porcelana esta propiedad varía con muchos factores como el tamaño y forma de los electrodos utilizados en la aplicación del esfuerzo, la forma o distribución del campo de esfuerzo eléctrico en el aislador, la frecuencia del voltaje aplicado, la razón y duración de la aplicación del voltaje, la fatiga debida a las aplicaciones repetidas del voltaje, la temperatura, el contenido de humedad y posibles cambios químicos bajo esfuerzo.

En aisladores de porcelana maltratados es común que la rigidez dieléctrica disminuya debido a grietas, partículas conductoras embebidas y cavidades gaseosas.

Los métodos estandarizados de la ASTM para determinar la rigidez dieléctrica de los aisladores de porcelana deben usarse para hacer pruebas comparativas, pero no deben esperarse que los niveles de resistencia dieléctrica medidos en tales pruebas mantengan su validez durante largo tiempo. Es mejor probar un aislador en la misma configuración en la que va ha ser usado. También debe considerarse la posible disminución de la rigidez dieléctrica durante largas exposiciones al ambiente de servicio, por envejecimiento térmico, y por descargas parciales (efecto corona), en caso de que se presenten bajo los voltajes aplicados de servicio.

HUELLA O RUTA CONDUCTORA POR ARCO EN AISLADORES DE PORCELANA.



Las descargas por arco de alta corriente entre conductores a través de la superficie de aislamiento de un aislador puede carbonizar el material y producir una huella o ruta conductora.

En presencia de películas superficiales de agua, formadas por la lluvia o por condensación, etc; se forman pequeñas descargas por arco entre las partes interrumpidas de la película de agua, que es muy conductora y las rutas crecen progresivamente a través del aislador, puenteando eventualmente entre conductores y causando la ruptura completa.

Con rellenos apropiados, algunos aisladores de porcelana pueden disminuir considerablemente su capacidad de formar rutas.

ENVEJECIMIENTO TERMICO DE UN AISLADOR DE PORCELANA.



El envejecimiento térmico en un aislador de porcelana es un proceso químico que implica la descomposición o modificación del material a tal grado que este ya no puede funcionar adecuadamente en su función de aislante. Estos efectos son usualmente acelerados por aumento de la temperatura y estas características es usan para efectuar pruebas aceleradas a la falla o a un grado de deterioro considerado peligroso. Tales pruebas se efectúan a temperaturas considerablemente mayores que las de operación normal.

La entrada de calor al aislador de porcelana viene dada por:

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AISLANTES CERAMICOS.



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- LA MICA COMO MATERIAL ELECTROAISLANTE.



La mica tiene gran aplicación en electrotecnia en forma de aislamiento sólido y flexible, en maquinas eléctricas de alta tensión y también en condensadores y tubos electrónicos. La gran aplicación de la mica, se debe a sus magnificas propiedades eléctricas, a que es incombustible, resistente a altas temperaturas y al bombardeo electrónico.

La mica se presenta como un mineral natural con una estructura característica laminar, que permite la separación de los cristales de mica en finas hojas, en grosores de hasta 0.005 mm. La separación de los cristales de mica ocurre entre superficies mutuamente paralelas.

Las hojas delgadas de mica poseen buena flexibilidad, son elásticas y poseen alta resistencia límite a la ruptura ( r = 15-35 kg/mm2). El pegamento de las hojas de mica mediante aglutinantes de alquitrán o lacas permite la obtención de aislantes sólidos (micanitas), o flexibles (micalenta) para devanado de máquinas eléctricas.

La mica natural, de acuerdo a su composición química se presenta como silicato alcalino de aluminio y metales cuproalcalinos, y como sal de ácido al silicio, conteniendo aluminio. En la composición de la mica entran: silicio (Si), potasio (K), magnesio (Mg), aluminio (Al), oxígeno (O) e hidrogeno (H).

Existen muchas clases de micas, pero en Electrotecnia se emplean solo dos de estas clases:

1.- La mica moscovita o mica de potasio que se encuentra, sobre todo, en la India y también en EE.UU., Africa y América del Sur. Esta variedad se presenta en tres coloraciones: blanca, rubí y verde, siendo la primera la más empleada, por sus superiores cualidades mecánicas y eléctricas. Por lo que se le conoce también como mica blanca.

2.- La mica flogopita, que se encuentra principalmente en Madagascar y Canadá; es de color ambarino. Esta constituida por silicatos de aluminio y de magnesio.

En Electrotecnia más del 80% de la mica usada es moscovita.

PROPIEDADES GENERALES DE LA MICA.



El peso específico de la mica varía entre 2.7 y 3 gr / cm3. A temperaturas comprendidas entre 600 C (mica moscovita) y 1,200 C (mica flogopita), la mica pierde su agua de composición y se disgrega.

Desde el punto de vista de la rigidez dieléctrica, la mica es el mejor de los materiales aislantes conocidos: para espesores de 0.01 mm, el valor de la rigidez dieléctrica puede alcanzar 500 kV / mm. La mica blanca o moscovita es mejor que la mica flogopita desde este punto de vista.

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La constante dieléctrica varía entre 5 y 9, según la procedencia de la mica. Este valor varía también con la temperatura y la frecuencia, siendo menor esta variación en la mica moscovita, como puede verse en la figura.

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El factor de pérdida dieléctricas de la mica moscovita, varía entre 0.0001 y 0.00008 a 25 C y con frecuencias comprendidas entre 50 Hz y 1 MHz; la mica flogopita, entre los mismo límites de frecuencia, tiene un factor de pérdidas dieléctricas que varía entre 0.003 y 0.09.

La resistividad de la mica es del orden de 1012 a 1015 ohmios cm2 / cm, siendo la de la mica moscovita más alta que la de la mica flogopita.

En lo que se refiere a sus propiedades mecánicas, la mica resiste grandes esfuerzos perpendiculares al plano de laminación, pero las laminas tienen poca cohesión entre sí y se desmenuzan fácilmente en escamas muy delgadas o en hojas.

Las propiedades químicas de la mica son excelentes, ya que resiste el ataque de los gases normalmente presentes en los productos de la combustión. La mica moscovita no es atacada ni por el ácido clorhídrico ni por el ácido sulfúrico aunque esto productos estén concentrados; por el contrario la mica flogopita es atacada por el ácido sulfúrico. Ambos tipos de micas son atacados por el ácido fluorhídrico caliente y por el agua que contiene anhídrido carbónico.

CALIDADES Y APLICACIONES DE LA MICA PURA.



Se puede decir que el aislamiento de mica se hace exclusivamente de escamas. La mica en bruto se expende en hojas poligonales en distintos tamaños graduados que varían entre 1 pulgada cuadrada y 60 pulgadas cuadradas. Las laminas o escamas se hacen deshojando los bloques de mica en láminas muy delgadas (0.015 a 0.025 mm de espesor); este proceso se realiza a mano, en el mismo lugar de origen. Las laminillas se aglomeran con productos especiales y se unen a otros materiales aislantes, tales como el papel, cartón, etc; obteniéndose de esta forma los materiales aislantes a base de mica.

Las hojas de mica pura se clasifican por los defectos que pueden presentarse y que son, principalmente, burbujas de aire, manchas y decoloraciones, las cuales alteran las propiedades originales de la mica pura: por ejemplo, el aire o la humedad interpuestos entre sus láminas reducen considerablemente la rigidez dieléctrica de la mica, pero aumentan su flexibilidad. Las posibles aplicaciones de las distintas calidades son:

1.- Clara, libre de toda inclusión mineral o vegetal, de manchas, de inclusiones de aire, ondulaciones o bucles. Láminas transparentes duras. Aplicaciones: tubos de televisión, diafragmas de sonido.

2.- Clara ligeramente manchada.
Aplicaciones: condensadores de magnetos de aviación, condensadores para emisoras de telecomunicación, condensadores especiales.

3.- Medianamente manchada.
Aplicaciones: condensadores de ajuste de sintonía para radio, condensadores de transmisión, condensadores de magnetos, válvulas termoiónicas.

4.- Bastante manchada.
Aplicaciones: condensadores de radio, soportes de válvulas termoiónicas, aislamiento de bobinas, aislamiento conjunto de conductores.

5.- Manchada. Contiene arcilla y pigmentos vegetales, pero no inclusiones minerales.
Aplicaciones: Bujías para motores de explosión, chasis de radio, soportes tubulares de utensilios de caldeo y soldadores.

6.- Manchada y coloreada de negro. Contiene arcilla, pigmentos vegetales e inclusiones minerales.
Aplicaciones: soportes de utensilios de caldeo y soldadores, arandelas aislantes, etc.

LIMITACIONES EN EL EMPLEO DE MICA PURA.



Su uso en grandes espesores resulta muy delicado debido a la poca cohesión entre sus láminas y a al fragilidad de estas. Los bloques de mica comprimidos a gran presión, sin aglomerante, solamente se emplean en aplicaciones limitadas.

Otro factor determinante que limita el campo de aplicación de la mica pura es el precio. Por estas razones, en la actualidad casi toda la mica empleada en aplicaciones electotécnicas lo es como material base de cierto numero de compuestos aislantes en los que, de una manera general, las láminas de mica quedan aglomeradas mediante un adhesivo orgánico (laca, resinas sintéticas, etc) sobre un soporte que puede ser papel, cartón, vidrio, etc. Consiguiéndose de esta forma materiales aislantes a base de mica, más económicos y con mejores propiedades mecánicas que está pero con inferiores propiedades dieléctricas y térmicas.

CONCEPTOS GENERALES SOBRE LOS MATERIALES AISLANTES A BASE DE MICA.



De una manera general, se puede decir que los materiales aislantes a base de mica constan, esencialmente, de estos tres componentes:

1.- Como material básico se emplean las laminillas o escamas de mica pura, material que determina las propiedades dieléctricas y térmicas del producto resultante.
2.- Las laminillas se aglomeran mediante productos orgánicos y minerales adecuados (goma laca, materiales plásticos, resinas de siliconas, vidrio, etc) las cuales, no solo mejoran las propiedades mecánicas del producto resultante sino que, en algunas ocasiones, sino también sus propiedades térmicas.
3.- Muchas veces se usa un material aislante como soporte de las escamas de mica así agregadas; este material puede ser tela, papel, cartón, tejido de vidrio, etc.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES AISLANTES A BASE DE MICA.



Se pueden clasificar bajo diversos criterios:

1.- Por la estructura del material básico, es decir, la mica:


a) materiales con mica en forma de escamas
b) materiales con mica en polvo

2.- Por el aglomerante empleado:



a) materiales aglomerantes con resinas naturales
b) materiales aglomerantes con resinas sintéticas
c) materiales aglomerantes con resinas de silicona
d) materiales aglomerantes con productos inorgánicos

3.- Por la clase de material utilizado como soporte:


a) materiales sin soporte
b) papeles de mica
c) telas de mica
d) materiales especiales


MATERIALES AISLANTES A BASE DE MICA, CON SOPORTE



Papel de micanita. Este material esta constituido por una capa de papel Japón, sobre la que se deposita mica en escamas, en un espesor de 6 a 7 / 100 mm; es flexible y resistente y soporte tensiones de hasta 3 kV, considerándose de clase térmica B (130 C).

Micafolio. Esta compuesto por una o dos capas finas de mica en escamas, con un soporte de papel. Las capas de mica se unen en capas muy compactas, para conservar sus propiedades dieléctricas. Es un material muy flexible que se presenta en rollos. Su principal aplicación es como aislamiento de devanado de máquinas eléctricas, sobres los que se enrolla en frío.

Cintas y telas de micanita. Son productos que se obtienen con mica en escamas, superpuestas en una o más capas, unidas con un material aglomerante flexible a tejidos de seda, algodón, vidrio, etc. Que se usan ampliamente en aislamiento de bobinas en los devanados de máquinas eléctricas.

- MATERIALES CERÁMICOS PARA CONDENSADORES



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Los materiales cerámicos para condensadores por su estabilidad y por las magnitudes relativamente altas de su permeabilidad dieléctrica tienen un coeficiente térmico de permeabilidad dieléctrica negativo
(C.T.e < 0).

El componente básico de la mayoría de las masas cerámicas para condensadores es el bióxido de titanio (TiO2) que se presenta como un polvo de color blanco (rutilo). Después de calcinarse a temperaturas de 1,300 - 1,500 0C adquiere una estructura cristalina. En esta forma cristalina, el bióxido de titanio posee una permeabilidad dieléctrica de gran magnitud (e = 110).

Los materiales cerámicos para condensadores con base de bióxido de titanio, con los aditivos necesarios de arcilla y algunos otros componentes, se presentan en los tipos (M-70 y T-80). Las cifras agregadas a las letras indican la magnitud de la permeabilidad dieléctrica de estos materiales. Con ellos se preparan condensadores cerámicos de alta frecuencia y para alta tensión, ya que estos materiales tienen pequeñas tangentes de ángulo de pérdidas dieléctricas, y rigidez dieléctrica relativamente alta, .

Agregando algunos óxidos metálicos al bióxido de titanio se obtienen materiales con permeabilidad dieléctrica aún más alta y menores pérdidas dieléctricas (CaO, MgO, ZnO, CdO, y otros).

En el proceso de calcinación de la mezcla de estos óxidos, tornados en determinadas proporciones, se forman los titanatos de los metales correspondientes: de calcio (CaTiO3), de magnesio (MgTio3), de zinc (ZnTiO3) y otros. Todos los titanatos se caracterizan por su elevada permeabilidad dieléctrica ( ), lo que se explica por el intenso desarrollo del proceso de polarización, iónica y electrónica que aceleran el proceso al someter estos materiales a la acción de un campo eléctrico. El campo eléctrico interior de los titanatos de diferentes metales es Provocado por la peculiaridad de su estructura cristalina.

A los materiales empleados en la elaboración de condensadores cerámicos, termoestabilizadores, pertenecen los termocod (T-20 y T-40). De estos materiales se fabrican condensadores termoestabilizados para radio, cuyas capacidades dependen en grado minimo de las variaciones de temperatura.

En la producción de condensadores de cerámica estabilizados para altas y bajas tensiones, han encontrado importante aplicación los materiales con base de bióxido de estaño (SnO2) mezclado con otros óxidos metálicos (CaO, MgO y otros). Los compuestos de esta clase se llaman estanatos: estanato de calcio (CaSnO3), estanato de magnesio (MgSnO3) y otros.

Estos materiales Cerámicos tienen elevado coeficiente térmico de permeabilidad dieléctrica .

De estas cerámicas al estaño, se elaboran condensadores de elevada estabilidad para altas y bajas tensiones. Las cerámicas al estaño son más estables a la acción prolongada de un campo eléctrico de alta tensión, comparadas con las cerámicas de titanio. Un campo eléctrico constante provoca un proceso electroquirnico de envejecimiento del material en las cerámicas con base de titanatos; particularmente a temperaturas de 200 a 300 0C. Como resultado de este proceso, las propiedades etectroaislantes de las cerámicas de titanatos disminuyen y las altas tensiones provocan la ruptura del condensador.

Los condensadores de cerámica se fabrican de diversas maneras: por prensado en moldes de las masas pulverizadas iniciales condensadores de oblea; por compresión de cerámicas plásticas en prensas al vacío; y por el método de vaciado de masas liquidas en forma de yeso. El último método se aplica en la elaboración de condensadores de cerámica para altas tensiones cuando, por ejemplo, son calcinados.

Los condensadores obtenidos por cada uno de estos métodos descritos representan productos semielaborados. Adquieren solidez y quedan secos, hasta una humedad de. 0.5 al 1%, después que los condensadores pasan al horno de cocción para su correspondiente tratamiento térmico. La temperatura final cocción de los condensadores de cerámica se encuentra a un nivel de l,320 - 1,4500C. Como resultado de la cocción se obtienen piezas libres de humedad y petrificadas. Estos condensadores no necesitan ser hermetizados (con cubiertas metálicas o plásticas) contra la humedad, como sucede con los condensadores de papel y mica.

Los electrodos metálicos se colocan sobre la superficie cerámica de los condensadores por el método de incrustación de plata. Para ello se deposita un capa conteniendo óxido de plata sobre la superficie del cuerpo de cerámica y se introduce en el bromo a una temperatura de 750 - 800 oc; el óxido de plata se reduce y queda la plata metálica que se adhiere fuertemente a la superficie formando una capa de 5 a 10 micras. A estas capas de plata se sueldan conductores de cobre y luego todo el condensador es cubierto con un esmalte orgánico electroaislante. Esto último es necesario para proteger contra la corrosión a los electrodos de capas de plata y para la prevención de corto circuito ocasionados por partículas húmedas entre dichas capas, en el caso de que los condensadores se usen en atmósferas húmedas (aparatos de radio en exteriores). Las características fundamentales de materiales más ampliamente usados en la elaboración de condensadores de cerámica se muestran en la tabla mas abajo.

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SEGNOTOCERÁMICAS



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Entre los materiales cerámicos para condensadores, ocupa un lugar importante el titanato de bario (BaTiO3), que sobresale por su altísimo valor de permeabilidad dieléctrica ( = 1,500 - 1,700) a temperatura ambiente. Tan elevado de permeabilidad dieléctrica se debe a que en este dieléctrico el proceso de auto polarización es muy intenso. Los valores particulares altos de la permeabilidad dieléctrica del titanato de bario se alcanzan en el punto Currie relacionado con las variaciones en la estructura cristalina de los materiales. Al introducir otros titanatos en el titanato de bario, por ejemplo, titanato de estroncio (SrTiO3), se hace posible desplazar el punto de Curie al dominio de mayores o más bajas temperaturas, en función de las proporciones de mezcla en los titanatos.

De las cerámicas a base de titanato de bario, se elaboran condesadores de baja tensión y corriente continua, ya que las características de aislante eléctrico no son grande en este material.

El titanato de bario pertenece a los segnetoeléctricos, es decir, a aquellos materiales en los cuales es observable la histéresis eléctrica, es decir, queda un remanente en las variaciones de la magnitud de carga eléctrica con las variaciones de tensión.

El titanato de bario es un cerámico segnetoeléctrico con propiedades piezoeléctricas. Es decir, si una placa polarizada de titanato de placa aparecen cargas eléctricas de signo contrario. Dichas cargas dan lugar a una diferencia de potencial que puede ser medida. Esto mismo ocurre al aplicar un esfuerzo de tracción a la placa. Así pues, con ayuda del titanato de bario puede transformarse el trabajo mecánico en energía eléctrica y viceversa. Las propiedades del titanato de bario se aplican en aparatos grabadores y reproductores de sonido.

La sal de “Seignet” también tiene propiedades piezoeléctrica, así como el cuarzo natural; pero la sal de Segnet es soluble en agua, y en las placas de cuarzo natural estas propiedades se manifiestan muy débilmente en comparación con el titanato de bario.

Si a una placa polarizada de titanato de bario (piezoelemento) se aplica una tensión eléctrica, entonces, en función de signo de la tensión aplicada, la placa de titanato se alargará o acortará. Aplicando a estas placas una tensión alterna se provocan oscilaciones de la placa.

Los piezoelementos de titanato de bario se emplean para la excitación de oscilaciones en dispositivos supersónicos, para la mediciones de presiones y para otros propósitos semejantes.

Los piezoelementos preparados con cerámica de titanato de bario se someten a un régimen de polarización

CONCLUSION



Este grupo de los dieléctricos lo podemos dividir en dos grandes grupos las micas y las cerámicas. Las cerámicas son muy conocidas por todos porque las vemos como materiales de adorno en nuestra vida cotidiana. Pero, la aplicación más importante de estos materiales se halla en el área de la electricidad, las comunicaciones y la electrónica. Su aplicación en estos campos es debida a sus cualidades aislantes; además, de a sus cualidades piezoeléctricas (que tienen que ver con la presión y la electricidad) que convierten a algunos materiales cerámicos en transductores electromecánicos.

Las micas son el otro grupo que aquí hemos desarrollado, estas son los materiales aislantes mejores conocidos. Pero presentan algunas desventajas como ya vimos, entre las más importantes podemos mencionar su alto preciso y su poca solidez, ya que son aglutinadas por la ayuda de materiales adhesivos y por medio de prensado, no soportan grandes esfuerzos mecánicos y son muy frágiles.

BIBLIOGRAFIA



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- ENCICLOPEDIA SALVAT DE LA CIENCIA Y LA TECNOLIGIA, TOMO VI.
- ENCICLOPEDIA ENCARTA 98, MICROSOFT MULTIMEDIA.
- ENCICLOPEDIA UNIVERSAL, MULTIMEDIA.
- ELECTROTECNIA CURSO ELEMENTAL, H. HUVSCHER. S. APPELT. EDITORA REVERTE, BARCELONA, 1987. - INTERNET SITE: WWW.ELECTRINI_INC.COM

Autor:

James Veras





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