Medios materiales
Los medios materiales hacen parte del proceso de conexión realizado por el profesional y la creación de campos electrónicos y electromagnéticos.
facultad de informática · telecomunicaciones
mar. 28 de sep. 2021
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Este artículo se enfocará en el estudio del espacio material. Se abordará el comportamiento de los campos en medios materiales. Los materiales se clasifican de acuerdo a sus características eléctricas. Pueden ser conductores, semiconductores o aislantes. Los materiales aislantes son los denominados dieléctricos. Esto hace parte de los conocimientos base para el profesional enfocado en el área de las telecomunicaciones, y le permitirán realizar su labor de manera adecuada en el campo que se encuentre.

Medios materiales: metales y dieléctricos

Se puede tomar como referencia el modelo atómico básico para explicar la conductividad en los diferentes materiales. El modelo atómico básico o también conocido como modelo nuclear del átomo, fue enunciado por el físico Ernest Rutherford. Según este modelo, el átomo está formado por un núcleo que tiene carga positiva en el que se concentra la mayoría de masa del átomo. Además una corteza formada por los electrones, los cuales orbitan circularmente alrededor del núcleo.

Entonces, en los materiales conductores, en los cuales están presentes la mayoría de los metales, ocurre que los electrones en la corteza atómica están débilmente unidos. Esto propicia que viajen de un átomo a otro de una manera fácil. En cambio, en los materiales aislantes, los electrones están bien unidos y confinados; en situaciones normales no pueden liberarse y viajar de un átomo a otro.

Por otro lado, están los materiales semiconductores, en los cuales el comportamiento de los electrones es parte como conductores y parte como aislantes. Es un comportamiento intermedio, ya que los electrones que viajan libremente son pocos. Otra forma de diferenciar a los elementos conductores, semiconductores y aislantes es la teoría de bandas de energía, la cual se recomienda como lectura complementaria. Un criterio para la clasificación de los materiales lo constituye también la conductividad eléctrica del material.

La conductividad eléctrica, al contrario del concepto de resistencia eléctrica, es la capacidad que tiene un material de transportar electrones o, dicho de otro modo, de permitir el paso de la corriente eléctrica. La conductividad es normalmente dependiente de la temperatura, la frecuencia y la estructura atómica y molecular del material.

Conductores

Cuando es aplicado un campo eléctrico externo a un conductor, las cargas positivas que están libres son impulsadas en la misma dirección que la del campo aplicado. Además las cargas negativas libres se mueven en la dirección contraria al campo aplicado. Este traslado de cargas descrito, acontece de manera muy rápida. Una conclusión importante respecto a los materiales perfectamente conductores es que no pueden contener un campo electrostático.

Esta conclusión parte de que, cuando es aplicado el campo eléctrico externo, las cargas libres se acopian en la superficie del material conductor. Así, formando una carga superficial inducida, estableciendo un campo interno inducido que cancela al campo eléctrico que fue aplicado externamente. Desaparecen en el interior tanto el campo como las cargas. Cuando todas las cargas llegan a la superficie del conductor, se redistribuyen. De manera que desaparecen en el interior tanto la carga como el campo, en condiciones estáticas.

En el interior del conductor, la intensidad de campo eléctrico y la carga libre, son nulas, ya que, de acuerdo a la ley de Gauss, debe desaparecer el campo eléctrico cuando no hay cargas libres. El campo eléctrico E de un material conductor es normal en todos los puntos a la superficie del conductor, en condiciones estáticas. Como el campo eléctrico dentro del conductor es nulo en todos los lugares, todo el conductor tiene el mismo potencial electrostático. Entonces, la superficie de un conductor, en condiciones estáticas, es una superficie equipotencial.

Entiéndase como superficie equipotencial a una superficie en la que el potencial es constante y cuando una carga se mueve sobre ella. La fuerza electrostática realiza un trabajo nulo. Para que una fuerza realice un trabajo nulo, la fuerza debe ser perpendicular al desplazamiento y el campo eléctrico también. Esto pues el campo eléctrico es paralelo a la fuerza.

Dieléctricos

La presencia de un campo eléctrico externo a un dieléctrico hace que, a cada partícula cargada se le aplique una fuerza y se produzcan desplazamientos pequeños (en comparación con las dimensiones atómicas) de las cargas positivas y negativas, estos desplazamientos tienen direcciones opuestas. Dichos desplazamientos pequeños polarizan un material dieléctrico y crean dipolos eléctricos. Un campo eléctrico inducido de dirección opuesta al campo aplicado es creado por las cargas superficiales netas.

El campo neto E en el interior de la lámina es la suma vectorial del campo externo y el campo inducido. Como los dipolos eléctricos tienen potencial eléctrico no nulo e intensidad de campo eléctrico no nulo, los dipolos eléctricos inducidos cambian el campo eléctrico dentro y fuera del material dieléctrico.

Incluso cuando no existe un campo de polarización externo las moléculas de algunos dieléctricos tienen momentos dipolares permanentes normalmente estas moléculas tienen dos o más átomos distintos y se denominan moléculas polares, un ejemplo de esto es la molécula de agua.

La molécula de agua es un ejemplo de ello, en tanto tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, los átomos no se acomodan de manera que la molécula tenga un momento dipolar cero, es decir, los átomos de hidrógeno no se encuentran en lados diametralmente opuestos del átomo de oxígeno. Los momentos dipolares de las moléculas polares son del orden de 10-30.

Condiciones de frontera

En una zona que esté compuesta por dos medios diferentes, también puede existir un campo eléctrico, para ello la interfaz que divide a ambos medios debe satisfacer ciertas condiciones. Estas son las denominadas condiciones de frontera. Si se desea calcular el campo en un lado de la frontera y es conocido el campo en el otro lado de la frontera, se aplican las condiciones de frontera, las cuales varían según los materiales de los medios.

Se presentarán las condiciones de frontera entre los materiales: dieléctrico y dieléctrico, conductor y dieléctrico, conductor y vacío. En la aplicación de las condiciones de frontera el método se basa en aplicar las ecuaciones de Maxwell y descomponer el vector de intensidad de campo eléctrico en dos componentes, una componente tangencial y una componente normal a la interfaz de interés.

Condensadores

El condensador es un el elemento pasivo del circuito capaz de almacenar energía eléctrica. Un condensador consiste en dos conductores separados por un dieléctrico o por el espacio libre. Un ejemplo de condensador son dos placas metálicas en paralelo y separadas, en cuya separación existe un dieléctrico o aislante.

Los conductores pueden ser de forma arbitraria, cuando se conecta una fuente de voltaje de corriente continua entre los conductores, se produce un campo eléctrico en el interior del condensador, lo que provoca una separación de las cargas que aparecen en las placas (iguales y de sentidos opuestos).

Las líneas de este campo eléctrico se originan de las cargas positivas y terminan en las cargas negativas, las líneas de campo son perpendiculares a las superficies de los conductores, las cuales son superficies equipotenciales. El potencial de un conductor aislado es directamente proporcional a su carga total, Q = CV (3.37) Donde C es la capacitancia del cuerpo conductor aislado y se expresa en coulomb por volt o farad (F).

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