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Unidad V: materiales magnéticos Definición Popularmente, se considera como dieléctrico a cualquier material aislante que soporte bien intensos campos eléctricos sin que se produzcan conducción, chispas o arcos eléctricos. Como tal se considera habitualmente al vacío, aunque en rigor no es correcta tal consideración, como se verá posteriormente. Los dieléctricos están íntimamente ligados a los condensadores, ya que generalmente son los materiales que llenan el espacio comprendido entre sus electrodos. También los cables están generalmente rodeados de materiales aislantes que como tales tienen características dieléctricas. Precisando un poco más, puede decirse que un dieléctrico es un material que, sometido a un campo eléctrico, reacciona ante éste con la creación de un campo eléctrico interno que se opone al campo eléctrico exterior. Este campo eléctrico inducido sumado al campo inductor (el exterior) hace que el campo eléctrico resultante en el interior del material sea menor que el exterior. Todas las sustancias no conductoras en mayor o menor grado reaccionan de esta manera frente a los campos eléctricos y, por lo tanto, son dieléctricos, aunque sus particulares propiedades hagan o no que se empleen como tales. El hecho de que los materiales aislantes tengan propiedades dieléctricas hace que muchas veces ambos conceptos se confundan, por lo que se hace necesario diferenciar cuándo se emplea un material por sus propiedades aislantes o cuándo por sus características dieléctricas. Las propiedades aislantes y dieléctricas de los materiales se conservan dentro de un rango de valor de campo eléctrico por encima del cual el material puede empezar a conducir. Este fenómeno suele ir acompañado de la fusión, quemadura e incluso la ruptura del material. Este valor máximo se conoce como “rigidez dieléctrica” y se expresa en voltios / metro, aunque es general que se exprese en kV/mm (kilovoltios por milímetro). Los valores típicos de la constante dieléctrica de los materiales más usados varían entre 2 F/m para los polímeros y 10 F/m para los polímeros plásticos. El vacío no debe considerarse como un dieléctrico ya que al no ser una sustancia física no manifiesta el fenómeno de polarización, aunque su efecto sí es aislante.

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Antecedentes Cuando Faraday "descubrió" el comportamiento de los materiales dieléctricos al colocarlos entre las placas de un capacitor, no se conocía el modelo atómico como una agrupación de electrones y protones (el electrón se descubrió en 1897). La teoría atómica en ese entonces provenía de la Química (modelo de Dalton) donde cada átomo era una esfera maciza indivisible. El resultado experimental de Faraday era que la diferencia de potencial entre las placas disminuía al introducir el dieléctrico entre placas cargadas y aisladas entre sí, con lo que la capacidad debía aumentar (por su definición). Pero si el voltaje (diferencia de potencial) era menor, como

el campo eléctrico tenía que haber disminuido, aunque la carga sobre las placas no había cambiado. Este comportamiento se explica gracias a la ley de Gauss, ya que sabemos que el flujo del campo eléctrico está directamente relacionado con la carga encerrada. Como el campo se reduce, la carga encerrada en el volumen debe ser menor. Es decir, el fenómeno se puede explicar considerando que se induce una cierta cantidad de carga en la superficie intersección entre el conductor y el dieléctrico.

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Enlace atómico y materiales dieléctricos Los dieléctricos no poseen electrones libres capaces de transportar la corriente. Según la teoría de bandas, los orbitales electrónicos de los átomos se solapan en un sólido formando bandas de energía, separadas por zonas de energías prohibidas. Cada banda se encuentra formada por un número finito (pero muy grande) de estados con energías muy próximas entre sí. Estas bandas pueden encontrarse totalmente llenas, vacías o parcialmente llenas. Al aplicar un campo eléctrico, un electrón puede ir ocupando los estados que se encuentren vacíos, y si la energía del campo es suficiente, promocionarse a una banda energética superior que se encuentre vacía. Los aislantes o dieléctricos son aquellos materiales que presentan una banda completamente llena (llamada de valencia) separada de la banda superior, llamada de conducción, vacía, por una zona de energías prohibidas bastante grande, de manera que los electrones no pueden, en presencia de campo eléctrico, ocupar niveles vacíos de la banda de valencia ni promocionarse a la banda de conducción, pues la energía necesaria para efectuar esta promoción es tan alta que antes se suelen producir otros efectos tales como la fusión de la red de átomos que conforman el sólido. Existen dos tipos de moléculas: las moléculas polares y las moléculas no polares. Las moléculas polares son aquellas en las que no coincide el centro de distribución de cargas positivas y el de las negativas, el ejemplo más significativo es el agua. Los iones hidrógeno no están alineados y dispuestos simétricamente a uno y otro lado del ión oxígeno, sino que tienen una disposición triangular. Las moléculas no polares son aquellas en las que coincide el centro de distribución de las cargas positivas y negativas. Las moléculas de oxígeno, nitrógeno, compuestas por dos átomos iguales pertenecen a esta categoría. Las moléculas polares bajo la acción de un campo eléctrico experimentan un par de fuerzas que tienden a orientarlas en el sentido del campo. Las moléculas no polares, se hacen polares en presencia de un campo eléctrico, ya que las fuerzas sobre cada tipo de carga son iguales y de sentido contrario.

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Permitividad La permitividad (o impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío es 8,8541878176x10-12 F/m. La permitividad está determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica se almacene con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo. Explicación En electromagnetismo se define un campo de desplazamiento eléctrico D, que representa cómo un campo eléctrico E influirá la organización de las cargas eléctricas en el medio, por ejemplo, redistribución de cargas y reorientación de dipolos eléctricos. La relación de ambos campos (para medios lineales) con la permitividad es donde ε es un escalar si el medio es isótropo o una matriz de 3 por 3 en otros casos. La permitividad, tomada en función de la frecuencia, puede tomar valores reales o complejos. Generalmente no es una constante ya que puede variar con la posición en el medio, la frecuencia del campo aplicado, la humedad o la temperatura, entre otros parámetros. En un medio no lineal, la permitividad puede depender de la magnitud del campo eléctrico. La unidad de medida en el Sistema Internacional es el faradio por metro (F/m). El campo de desplazamiento D se mide en culombios por metro cuadrado (C/m2), mientras que el campo eléctrico E se mide en voltios por metro (V/m). D y E representan el mismo fenómeno, la interacción entre objetos cargados. D está relacionado con las densidades de carga asociada a esta interacción. E se relaciona con las fuerzas y diferencias de potencial involucradas. La permitividad del vacío, es el factor de escala que relaciona los valores de D y E en ese medio. es igual a 8.8541878176...×10-12 F/m. Las unidades de en el Sistema Internacional de Unidades es farad por metro (F/m). En el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se mide en newtons (N), la carga en coulombs (C), la distancia en metros (m), y la energía en julios (J). Como en todas las ecuaciones que describen fenómenos físicos, usar un sistema consistente de unidades es esencial.

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Permitividad del vacío La permitividad del vacío ℇo es el cociente de los campos D/E en ese medio. También aparece en la ley de Coulomb como parte de la constante de fuerza de Coulomb, 1/4πℇo, que expresa la atracción entre dos cargas unitarias en el vacío. ℇ₀=1/ (c^2 μ₀) =8.8541878176…x〖10〗^ (-12) F/m donde es la velocidad de la luz y es la permeabilidad magnética del vacío. Estas tres constantes están totalmente definidas en unidades del SI. Permitividades absoluta y relativa La permitividad de un material se da normalmente en relación a la del vacío, denominándose permitividad relativa, ℇr (también llamada constante dieléctrica en algunos casos). La permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad relativa por la del vacío: ε=ℇr ℇo= (1+Xₑ) ℇo donde es la susceptibilidad eléctrica del material. En la siguiente tabla se muestran las permitividades absolutas de algunos dieléctricos:

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La permitividad en los medios En el caso común de un medio isótropo, D y E son vectores paralelos y ℇ es un escalar, pero en medios anisótropos, este no es el caso y es un tensor de rango 2 (lo que causa birrefringencia). La permitividad eléctrica ℇ y la permeabilidad magnética 𝜇 de un medio determinan la velocidad de fase v de radiación electromagnética dentro del mismo: Εμ=1/υ^2 Cuando un campo eléctrico es aplicado a un medio, una corriente fluye. La corriente total que discurre por un material real está, en general, compuesta de dos partes: una corriente de conducción y una de desplazamiento. La corriente de desplazamiento puede pensarse como la respuesta elástica de un material al campo eléctrico aplicado. Al aumentar la magnitud del campo eléctrico, la corriente de desplazamiento es almacenada en el material, y cuando la intensidad del campo disminuye, el material libera la corriente. El desplazamiento eléctrico se puede separar entre una contribución del vacío y una del material: D=ℇoE+P=ℇoE+ℇoxE=ℇoE(1+x) donde P es la polarización del medio y es la susceptibilidad eléctrica. Se deduce que la permitividad relativa y la susceptibilidad de un material están relacionadas, ℇr = x+1 Absorción En electricidad, se llama absorción a la propiedad de un dieléctrico utilizado en un condensador por el cual fluye una pequeña corriente de carga después de que las placas han alcanzado el potencial final, y por el que también fluye una pequeña corriente de descarga después de haber sido cortocircuitadas las placas, al haber interrumpido el cortocircuito durante unos minutos, y nuevamente haber sido cortocircuitadas. Denominada también saturación dieléctrica.

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Ley de Coulomb en dieléctricos Puede obtenerse una expresión de la ley de Coulomb para cargas puntuales situadas en dieléctricos isótropos. En efecto, si una sola carga puntual q está situada en un dieléctrico, aplicando la ley de Gauss a una superficie esférica de radio R y centro en la carga, como, por simetría, D es perpendicular a la superficie esférica, se tiene:

Y como D = εE

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Es decir, la fórmula del campo que crea una carga puntual situada en un dieléctrico es la misma que en el vacío excepto que la permitividad es la del dieléctrico. Por tanto, la fuerza entre dos cargas puntuales situadas en un dieléctrico es:

que es la ley de Coulomb en medios dieléctricos, que incluye la ley de Coulomb en el vacío, pues en el vacío ε = ε0. De nuevo hay que decir que ambas leyes, la del vacío y la de los dieléctricos son equivalentes, pues de una se obtiene la otra. Pero tiene un valor práctico considerable, pues indica que las fórmulas para un medio dieléctrico isótropo son las mismas que para el vacío, excepto que hay que sustituir en todas la permitividad del vacío por la del medio. Nótese que la permitividad ε del dieléctrico resume todo el efecto de la fuerza que las cargas latentes de polarización ejercen sobre las cargas puntuales. Que muestra que la fuerza entre dos cargas puntuales en un medio dieléctrico es la del vacío dividida por εr. Como la permitividad relativa εr es mayor o igual que uno en todos los dieléctricos isótropos, resulta que la fuerza entre dos cargas puntuales situadas en medios dieléctricos isótropos es siempre menor o igual que en el vacío. F120 es la fuerza en el vacío. Por tanto, también el campo eléctrico es menor o igual en un punto si el medio es un dieléctrico que si es el vacío. se deduce que, si el medio sin límites en el que se producen las acciones entre cargas es un dieléctrico isótropo, lineal y homogéneo, las fórmulas deducidas para el vacío son válidas en el dieléctrico si en los lugares donde aparece escrito ε0 se escribe ε, que es la permitividad del dieléctrico.

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Polarización En presencia de un campo eléctrico, los dieléctricos forman pequeños dipolos eléctricos que contrarrestan el campo aplicado. La polarización P de un material a escala macroscópica se define como el momento dipolar eléctrico del medio por unidad de volumen. Si p es el momento dipolar promedio inducido por el campo externo E en los átomos y moléculas, y n es el número medio de átomos o moléculas por unidad de volumen, la polarización será obviamente P = np. La polarización tiene unidades de densidad superficial de carga (C/m2) y puede tener tres orígenes distintos. Polarización inducida En los sólidos, los electrones pertenecientes a los orbitales más cercanos al núcleo no forman bandas de energía, sino que permanecen confinados alrededor del núcleo. Estos orbitales, en presencia de un campo eléctrico, se distorsionan ligeramente, y como consecuencia de ello el centro geométrico de la nube electrónica deja de coincidir con el núcleo, formándose un pequeño dipolo eléctrico en cada átomo. También recibe el nombre de polarización electrónica. Polarización por orientación Algunos átomos presentan dipolos eléctricos permanentes, como consecuencia de la asimetría de los orbitales en que se encuentran sus electrones. Estos dipolos se orientarán en respuesta al campo eléctrico aplicado. Polarización por desplazamiento Algunos sólidos se forman con enlaces iónicos, es decir, los electrones que comparten en el enlace se encuentran más cerca de un tipo de átomo que de otro. Es el caso de la sal (ClNa), cuyo electrón presenta una probabilidad de presencia mayor alrededor del cloro que del sodio. Estos sólidos presentan una estructura en la cual cada especie atómica se rodea de varios átomos de la otra especie. Al aplicar un campo eléctrico, cada ion experimenta un pequeño desplazamiento a su favor o en su contra, dependiendo del tipo de carga que presente. Este desplazamiento en bloque puede incluso manifestarse macroscópicamente como un cambio de tamaño estimable (materiales piezoeléctricos). Este fenómeno se conoce también como polarización iónica.

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Materiales dieléctricos en ingeniería eléctrica Aisladores de porcelana Los aisladores cumplen la función de sujetar mecánicamente el conductor manteniéndolo aislado de tierra y de otros conductores. Deben soportar la carga mecánica que el conductor transmite a la torre a través de ellos. Deben aislar eléctricamente el conductor de la torre, soportando la tensión en condiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las máximas previstas (que los estudios de coordinación del aislamiento definen con cierta probabilidad de ocurrencia). La tensión debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficie y el aire que rodea al aislador. La falla eléctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para que esta falla sea mucho más probable que la perforación del aislante sólido. Surge la importancia del diseño, de la geometría para que en particular no se presenten en el cuerpo del aislador campos intensos que inicien una crisis del sólido aislante. Históricamente se han utilizado distintos materiales, porcelana, vidrio, y actualmente materiales compuestos, y la evolución ha ocurrido en la búsqueda de mejores características y reducción de costos. La porcelana es una pasta de arcilla, caolín, cuarzo o alúmina se le da forma, y por horneado se obtiene una cerámica de uso eléctrico. El material es particularmente resistente a compresión por lo que se han desarrollado especialmente diseños que tienden a solicitarlo de esa manera.

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Aislador suspensión polimérica Los Aisladores de suspensión y de tensión de goma siliconada, han sido diseñados para soportar altos niveles de compresión longitudinal, tensión mecánica, y cuenta con un sellado que no permite la penetración de agua al metal o al material siliconado. Su diseño facilita su instalación, transporte, embalaje y mantención por su bajo peso y su facilidad de uso, además de proyectar una mayor vida útil. Las pruebas de diseño a las cuales son sometidos los aisladores, cumplen o exceden todos los niveles de requerimientos para las normas ANSI o equivalentes. Una serie de pruebas de contaminación prueban que los aisladores pueden soportar niveles de sobre voltaje más alto que lo que requieren las normas a los más altos niveles de contaminación de prueba. Su construcción integral totalmente cohesionada elimina vacíos. La envoltura es moldeada en una sola pieza directamente sobre una varilla de fibra de vidrio a alta presión. Diseñados para tener vida de servicio de 50 años requiriendo poco o nada de mantenimiento, Ligero y de fácil instalación. Estos aisladores se encuentran disponibles en niveles de voltaje que van desde 15KV a 27KV con las siguientes equivalencias: 1 aislador polímero de 15KV remplaza a 2 aisladores suspensión ANSI 521 en cadena. 1 aislador polímero de 27KV remplaza a 3 aisladores suspensión ANSI 521 en cadena.

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Seccionadores portafusibles Podemos ofrecerle Seccionadores Abiertos en tipo fusible cañuela 100Amp. 200Amp. 125KVBIL y 150KVBIL, cuchilla de cobre 300Amp. 125KVBIL y 150KVBIL, Con dispositivo Rompe arco en 100Amp. y 200Amp. 150KVBIL en marcas ABB, Cooper, AB Chance, Maurizio. Próximamente seccionadores en polímero (En proceso de calificación). Los Seccionadores (Corta circuitos) fueron desarrollados para operar en redes de distribución con tensiones nominales de 15 kV y 25 kV o 36 kV en las corrientes nominales de 100 y 200 Amp. Está especialmente proyectado para proteger transformadores, banco de capacitores, cámaras, líneas y ramales. Su construcción robusta aliada al alma del tubo porta-fusible, fabricado en material rigorosamente testado, permite interrumpir desde la mínima hasta la máxima falta admisible por el porta-fusible, en las más severas condiciones, permaneciendo inalteradas tanto sus características mecánicas cuanto eléctricas. Los soportes y pinos de montaje son fabricados en acero galvanizado a calor y fijados en el aislador (porcelana) por medio de cemento inorgánico, el mismo que no deteriora ni tampoco absorbe la humedad, y tiene una resistencia suficiente para absorber parte del choque causado por las fuerzas de interrupción.

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En ambientes de alta polución o alto grado de salinidad puede ser utilizado un seccionador con tensión nominal mayor que la de la red en donde será instalado, en este caso el aislador tendrá una mayor distancia de fuga, posibilitando de esta manera mayor seguridad contra aperturas de arcos. También está provisto de un gancho en aluminio para operación de herramienta para apertura bajo carga. Está provisto de una lengüeta (Flipper) en acero inoxidable que junto con un resorte no permite, principalmente la operación de cierre, que el hilo fusible sea sometido a esfuerzos de tracción superiores a 3Kgf, este mecanismo también proporciona una expulsión rápida del hilo fusible de adentro del tubo en las faltas de baja corriente eliminando posibles arcos internos. El Seccionador permite la inserción del tubo porta-fusible de manera precisa y siempre en perfecto alineamiento, debido a la gran distancia que existe entre los puntos de articulación. El paso de la corriente no se da por la articulación y sí en contactos auxiliares de alta presión. El Seccionador puede ser transformado en Seccionador Cuchilla de hasta 300Amp., por el simple cambio del tubo porta-fusible a una lámina de cobre electrolítico (barra de cobre).

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Aisladores poliméricos Es un tipo de aislador empleado tanto en líneas eléctricas de transmisión y distribución, como en subestaciones, y que se caracterizan por estar constituidos por un núcleo central de material sólido, usualmente fibra de vidrio, y una cubierta exterior aislante de material polimérico, que además se caracteriza por ser flexible. Esto la diferencia de otro tipo de aisladores empleados más tradicionalmente en líneas y subestaciones eléctricas, que son de porcelana, vidrio o cerámica. Las principales ventajas de este tipo de aislador son su resistencia mecánica frente a golpes derivada de su flexibilidad y mejor comportamiento ante la contaminación derivada de las características del material polimérico. Por ello han ido progresivamente reemplazando a los aisladores de cerámica o porcelana. En este tipo de aplicaciones, una cadena de aisladores de disco es ahora reemplazada por un único aislador polimérico, lo que además simplifica su instalación o reemplazo. Aplicación Los aisladores de suspensión orgánicos Balastro serie IPB se destinan al amarre de las redes de distribución y transmisión de energía eléctrica, y reemplazan las convencionales cadenas de suspensión o retención de porcelana o vidrio. Fabricación Los aisladores orgánicos se fabrican a partir de un bastón (alma) de fibra de vidrio preso en los herrajes de conexión (tipo horquilla-ojal, rótula-badajo. en hierro de aleación especial, cincados en caliente) y, posteriormente, se inyecta en caliente sobre este conjunto un revestimiento aislante en caucho de silicona, con lo que se obtiene un aislador compacto, ligero, de gran resistencia mecánica y de elevada resistencia a la intemperie.

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Ventajas de los aisladores poliméricos Las principales ventajas de los aisladores poliméricos Balastro serie IPB son las siguientes: Dimensiones compactas, que resultan en aisladores más ligeros que los convencionales, y ello reduce el costo de las estructuras, del transporte, del almacenamiento, de la mano de obra de instalación, etc. Inmunidad al vandalismo. Elevada resistencia a la tracción. Excelente desempeño a la intemperie, principalmente en ambientes con alto grado de contaminación, gracias a las peculiares características de la envoltura de silicona, como por ejemplo la hidrofobia que mantiene alta la resistencia superficial del aislador (incluso en condiciones de lluvia) y evita la formación de películas continuas de agua y de canales secos y arcos en la superficie del aislador, con lo cual se reduce el riesgo de flashover. Esta característica de la silicona se traslada a eventuales depósitos de contaminantes sólidos en la superficie del aislador, lo que mantiene la hidrofobia incluso en condiciones de contaminación. Elevada vida útil. Soporta ensayo de intemperismo artificial de 5000 horas, lo que representa una vida útil de 40 años de acuerdo a parámetros internacionales de las normas IEC EiRAM. Elevada resistencia al tracking eléctrico y a la erosión, así como a la proliferación de hongos. Moldeado en una única pieza, con garantía de excelente hermeticidad, sin permitir la entrada de agua o residuos en el interior de los aisladores.

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Seccionador con dispositivo rompe arco El Cortocircuito con apertura en carga está disponible para aplicación en sistemas de distribución de 15, 27 y 38 kV. Especialmente proyectada para proteger transformadores, banco de capacitores, cabinas primarias, líneas y ramales. Con este dispositivo Rompe Arco se aumenta la versatilidad de los equipos de protección, permitiendo aperturas en carga sin la utilización de herramientas especiales para su operación. Sus características eléctricas son semejantes a las de un Cortocircuito normal, ofreciendo protección contra corto circuitos y sobrecargas que simplemente queman el hilo fusible hasta su capacidad máxima especificada en el Porta Fusible. El dispositivo de apertura en carga permite al electricista (liniero) interrumpir la carga por medio de una simple operación con una vara de maniobra. Para interrumpir la corriente el liniero inserta la vara de maniobra en el gancho de apertura de la porta fusible y rápidamente abre el dispositivo. El Cortocircuito con apertura en carga no depende de la velocidad operacional del liniero, ya que durante su apertura la corriente es transferida del contacto superior del Cortocircuito para un mecanismo con una lámina de acero inoxidable cargada por la fuerza de un resorte, en donde el arco se prolonga, se enfría y se extingue. Pararrayos de distribución tipo polímero Contamos con la distribución de la línea de pararrayos de distribución con cuerpo de polímero (óxido de zinc) en 6KV, 10KV Y 18KV en marcas como Ohio Brass, Joslyn, Cooper y KMG con excelentes precios. Los pararrayos son un dispositivo de protección que se instalan cerca del equipo a ser protegido a lo largo de la red eléctrica. Su función es absorber y enviar a tierra cualquier pulso indeseado cuando es encontrado en la red eléctrica.

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Pararrayos tipo franklin Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a construcciones o personas. Este artilugio fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin. Este primer pararrayos se conoce como pararrayos Franklin, en homenaje a su inventor. Durante una tormenta la tensión eléctrica en la atmósfera puede llegar a valores de 200.000 a 1.000.000 V entre la ionosfera y el suelo. En todo el mundo se generan más de 44.000 tormentas con más de 8.000.000 de rayos, que descargan su energía a tierra. Los rayos y relámpagos son el reflejo de esta reacción de carga eléctrica entre la atmósfera y la tierra. El rayo se forma normalmente en las puntas más predominantes o de menor resistencia y en aquellos lugares donde el contexto ambiental facilite la transferencia de cargas que ionizaran el aire, como en este caso son los pararrayos. Los pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero), con un cabezal captador. El cabezal puede tener muchas formas en función de su principio de funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio al que protegen. El cabezal está unido a tierra, mediante un cable de cobre conductor. La toma de tierra se hace mediante picas hincadas en el terreno, mediante placas conductoras también enterradas, o bien con un tubo sumergido en el agua de un pozo). En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono y a su vez éste depende de cada tipo de protección. El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas incluyendo el propio edificio que se protege.

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Aisladores de vidrio Los aisladores de suspensión de vidrio, luego de su fabricación, requieren de un templado especial a mayor temperatura, a efectos de limitar las tensiones internas del vidrio y dotarlos así de una mayor resistencia a los golpes. Este tipo de aislador presenta dos grandes ventajas respecto al de porcelana, una es que resulta fácil visualizar cuando falla, ya que el vidrio revienta y por lo tanto se nota a simple vista la falta de la campana aislante en una línea de transmisión, otra es que no se cae el conductor, debido al incremento del volumen del vidrio que se encuentra entre el badajo y la caperuza, cosa que sí puede suceder con el aislador de porcelana. Otra característica importante, es que los aisladores de vidrio presentan mayor resistencia a la tracción que los de porcelana.

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Efecto de un dieléctrico en los condensadores La aparición de dipolos moleculares en un dieléctrico disminuye los efectos del campo eléctrico aplicado; en concreto, al poner un dieléctrico entre las armaduras de un condensador, se produce el llamado efecto dieléctrico, que aumenta la capacidad del mismo. La función de un dieléctrico colocado entre las láminas de un condensador es triple: primero, puesto que su rigidez dieléctrica es mayor que la del aire, aumenta la diferencia de potencial que el condensador es capaz de resistir sin perder sus propiedades; segundo, la capacidad de un condensador de dimensiones dadas es varias veces mayor con un dieléctrico que separe sus láminas, que si éstas estuvieran en el vacío; tercero, resuelve el problema de mantener dos grandes láminas muy cercanas sin contacto entre ellas. Todo ello es debido a la polarización molecular; si las moléculas son polares, es decir, poseen momentos dipolares permanentes, al introducirlas en el campo creado por el condensador, dichas moléculas se orientan en sentido contrario al campo creado por el condensador y dan lugar a un campo adicional debido a los dipolos, de sentido contrario al original, como consecuencia de una separación de carga en el dieléctrico. Por tanto, la capacidad del condensador se ve incrementada en el mismo factor en que disminuye el campo eléctrico, factor que se denomina constante dieléctrica relativa del medio al vacío. La constante dieléctrica del medio interpuesto entre las placas de un condensador se puede definir como el cociente entre la capacidad del condensador en el medio dieléctrico y su capacidad en el vacío o en el aire

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materiales dieléctricos y su aplicación

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Nuevos materiales dieléctricos material dieléctrico capaz de albergar gran cantidad de energía Este nuevo material podrá tener aplicaciones en el campo de las energías renovables destinado a la próxima generación de baterías de alta capacidad. Está compuesto por óxido de titanio y otros elementos químicos como el niobio (columbio) o el indio, y permite almacenar grandes cantidades de energía sin apenas pérdidas en un amplio rango de temperaturas. Según los autores, han probado que su material sigue siendo eficiente entre los -190 ºC y los 180 ºC. Además, aseguran, los componentes para desarrollarlo son baratos, no son tóxicos ni presentan un peligro para el medio ambiente. El indio, sin embargo, es un elemento que prácticamente solo se extrae en China y que se calcula que se agotará en pocas décadas. El grafeno es uno de los materiales propuestos para sustituirlo. La principal utilidad de un material como el construido por estos investigadores sería el desarrollo de grandes baterías para su uso en centrales eléctricas renovables o en vehículos eléctricos. Sus propiedades, además, permiten convertirlo en lo que se denomina un ‘supercapacitor’. Un dispositivo capaz de cargarse en muy poco tiempo –a veces unos pocos segundos–, y almacenar una gran cantidad de energía. Una nueva generación de baterías de alta capacidad y flexibilidad permitiría aprovechar mucho más las fuentes de energía renovables. Ahora solo se ponen en marcha cuando tienen capacidad de generar energía que se va a consumir en ese mismo momento. Hay veces que, aunque hay suficiente radiación solar, o suficiente viento, no se ponen en marcha porque la electricidad que generasen se desperdiciaría. Sin embargo, el uso de baterías para almacenar energía durante estos periodos facilitaría un uso más reducido de las centrales eléctricas que dependen de combustibles fósiles.

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Desarrollo de un material casi perfecto para la producción de energía solar a gran escala Ahora, un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT ha logrado desarrollar un material que reúne estas condiciones: un cristal fotónico dieléctrico de dos dimensiones casi ideal para la absorción solar. Entre las características que lo hacen casi perfecto – además de absorber el espectro de luz adecuado–, cabe destacar su capacidad para soportar temperaturas de hasta 1.000 grados centígrados (necesario para aprovechar al máximo los sistemas que concentran la luz solar mediante espejos), que puede fabricarse a bajo coste y grandes escalas con la tecnología actual, y que permite controlar con gran precisión su capacidad de absorción. “Como el material está compuesto por una serie de nanocavidades, se puede sintonizar la absorción cambiando su tamaño”.

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Rigidez dielectrica La rigidez dieléctrica o rigidez electrostática es valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor. Los campos eléctricos moderados son los que no arrancan electrones ligados de los átomos. Por tanto no producen corrientes importantes en los dieléctricos, pues solo mueven los escasos electrones libres que pueda haber en el dieléctrico. Pero si se aumenta el valor del campo, puede llegar a arrancar un gran número de electrones ligados. Entonces la corriente en el dieléctrico crece bruscamente y suele dañar el dieléctrico por elevación de temperatura. El mayor valor del campo eléctrico que no produce este incremento brusco de corriente se llama rigidez dieléctrica. También la definimos como la máxima tensión que puede soportar un aislante sin perforarse. A esta tensión se la denomina tensión de rotura de un dieléctrico. El término rigidez se utiliza cuando la materia transmite energía, vibra en su extensión llevando su mensaje de una molécula a otra. Cuando no vibra, pues está rígida y no transmite nada. Cuanto más rígida es, más aislante resulta. El valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora, se llama rigidez dieléctrica del material.

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Cuando el potencial al que se somete un dieléctrico es capaz de arrancar los electrones de sus posiciones aproximadamente localizadas alrededor de los núcleos atómicos, se promocionan a la banda de conducción, el dieléctrico pierde resistencia y se produce el fenómeno de ruptura o derrumbamiento. La avalancha súbita de electrones puede producir la fusión, quemadura e incluso la ruptura del material. La rigidez dieléctrica representa la magnitud del campo eléctrico necesario para producir la ruptura. Rigidez dieléctrica de algunos materiales (en kV/mm).

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Espinterómetro El espinterómetro es un aparato que sirve para medir la rigidez dieléctrica de un material, la cual se mide por la cantidad de voltios que producen la perforación del material, descarga una cantidad de energía eléctrica en un pequeño intervalo de tiempo. Consiste en dos bolas o placas metálicas que constituyen los polos de un manantial de electricidad y que son separadas gradualmente para determinar la distancia máxima que puede franquear la chispa. Para ello se coloca el material en estudio entre las armaduras de un condensador, y se aplica una diferencia de potencial conocida entre ellas, para lo que suele usarse corriente alterna con un transformador elevador de tensión, y un regulador de dicha tensión. Los extremos terminan cada uno en una bola metálica, es lo que se denomina como descargador.

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Generadores de impulsos La manera más común de generar impulsos de alta tensión, para realizar aquellas pruebas en donde el nivel requerido, es mucho más alto que el disponible en la fuente base. Consiste en un cierto grupo de capacitores que se cargan en paralelo por medio de rectificadores de alta tensión, a través de resistencias de carga. La descarga de estos capacitores se realiza a través de espinterómetros de esferas, en un circuito serie que incluye resistencias amortiguadoras de las oscilaciones. La carga de los capacitores, y en consecuencia la tensión total del generador, dependerá de la tensión sobre el rectificador, y su polaridad, de la posición del mismo.

El método más utilizado para provocar la descarga del generador, consiste en aplicar, por medio de una fuente auxiliar, un breve impulso de tensión al electrodo central de un espinterómetro de ignición, ubicado entre el primer y segundo grupo. Iniciada la descarga, ésta se propagará a todos los espinterómetros de la cadena. La base para la detección de anomalías sobre una muestra bajo ensayo, realizada mediante el análisis comparativo de los registros en osciloscopios, se fundamenta en que cuando un aislamiento falla al ser sometido a impulsos de tensión como en el caso de las pruebas a transformadores, cambiará también su impedancia.

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Este cambio causará variaciones en la corriente de impulso que fluye a través del devanado, y en la tensión media a través del mismo. Debido a la complicada naturaleza del ensayo de impulso, y a las diferentes formas de constructivas de los transformadores, los fabricantes han desarrollado a través de los años, las más apropiadas técnicas de pruebas. El propósito de ensayar un transformador con tensión de impulso, es el de simular su uso en campo, y en el ensayo muchas veces se deben tener en cuenta los efectos de las líneas, cables, generadores, pararrayos, etc. Más difícil aun, es determinar qué clase de descarga atmosférica va a recibir, y como esta descarga tenderá a comportar en el sistema de distribución o de transmisión.

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Chispómetro Otro aparato que sirve para medir la rigidez dieléctrica, pero del aceite es el llamado Chispómetro. Los sistemas de energía y los transformadores son equipos esenciales, por tanto, su fiabilidad y el funcionamiento seguro es importante para determinar sus condiciones de operación, y la industria utiliza pruebas de control de calidad en el diseño de transformadores llenos de aceite. Por lo tanto, el empleo de medidores de rigidez dieléctrica o chispómetros es fundamental.

El efecto del envejecimiento, las propiedades de aceite para transformadores (físicas, químicas y eléctricas) se estudió empleando los métodos internacionales de análisis para la evaluación de la calidad del aceite del transformador. El estudio se llevó a cabo en seis transformadores operando en campo y con períodos de seguimiento de más de veinte años. Se especificaron las propiedades que son fuertemente dependientes del tiempo, y se definieron aquellas que tienen un gran impacto en la acidez del aceite del transformador, la tensión de ruptura y de análisis de gases disueltos. Varias pruebas en el aceite de los transformadores fueron estudiadas para conocer el tiempo de purificación o su modificación, por otra parte, la predicción de las características de bajo diferentes condiciones de operación.

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En un fallo en un transformador envejecido, el aislamiento del conductor normalmente se deteriora hasta el punto en que ya no puede sostener los esfuerzos mecánicos causados por el fallo. La vida/edad del transformador está comúnmente relacionada a la degradación del aislamiento, causado principalmente por la tensión térmica de los aislantes de papel, junto con la descomposición electroquímica de éste. La vida conocida de un transformador la basamos en un parámetro diseñado con respecto a la operación normal y las condiciones climáticas. El envejecimiento no sólo depende de la carga, sino también del tipo de papel, la composición de la pulpa, la humedad y el contenido de oxígeno, así como el nivel de acidez del líquido aislante. El aislamiento es el componente principal, que desempeña un papel importante en la esperanza de vida del transformador. El aceite sufre un continuo deterioro y degradación debido a la aplicación sostenida de las tensiones térmicas de la electricidad, el ciclo de la carga termal y las condiciones climáticas. Esto puede ser peligroso para el equipo eléctrico y la instalación. La vigilancia continua de las características de aislamiento del aceite se ha convertido en una tarea importante para evitar el deterioro del aceite bajo condiciones de trabajo. Se han hecho varios esfuerzos en los últimos años para estudiar las propiedades eléctricas, físicas y químicas de los aceites aislantes. El mantenimiento preventivo diario de un transformador de aceite consiste en grabar las lecturas de nivel de aceite, lecturas de la temperatura, la media anual de muestras de aceite y toma de muestras para comprobar las propiedades físicas, químicas y eléctricas. Los análisis de aceite incluyen el peso específico, viscosidad cinemática, punto de inflamación, acidez total, humedad, desintegración de tensión y los gases disueltos. Ese es el monitoreo de la condición de aceite del transformador.

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Entre esos esfuerzos hay una característica de los aceites naturales frescos y de edad avanzada. Esta área está todavía abierta a estudiar el efecto del período de servicio en las propiedades del aceite de transformadores. Las distintas pruebas de aceite de los transformadores estudiados nos permiten saber cuándo purificar, cambiar y predecir el envejecimiento en las diferentes condiciones de operación. El rendimiento fiable de aceite mineral aislante en un sistema de aislamiento depende de ciertas características del aceite base, que pueden afectar al rendimiento global del equipo eléctrico. Para llevar a cabo sus múltiples funciones dieléctricas, transferencia de calor y de arco el aceite, deben poseer la creación de las propiedades básicas. El aceite en servicio varía ampliamente en el grado de degradación y el grado de contaminación. El aceite mineral en servicio está sujeto a alteraciones debidas a las condiciones de uso. En muchas aplicaciones, el aceite aislante está en contacto con el aire y por lo tanto sujeto a reacciones de oxidación acelerada por altas temperaturas y presencia de metales, compuestos metálicos, compuestos orgánicometálicos o de ambos en calidad de agentes oxidantes.