Constante dieléctrica

La constante dieléctrica o permitividad relativa $\varepsilon _{r}\,$ de un medio continuo es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. En comparación con la velocidad de la luz, la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:

$v={\frac {c}{\sqrt {\varepsilon _{r}}}}$

donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de la onda electromagnética en el medio con permitividad relativa $\varepsilon _{r}\,$.

La constante dieléctrica es una medida de la permitividad estática relativa de un material, que se define como la permitividad absoluta dividida por la constante dieléctrica.

El nombre proviene de los materiales dieléctricos, que son materiales aislantes, no conductores por debajo de una cierta tensión eléctrica llamada tensión de ruptura. El efecto de la constante dieléctrica se manifiesta en la capacidad total de un capacitor eléctrico. Cuando entre los conductores cargados o placas que lo forman se inserta un material dieléctrico diferente del aire (cuya permitividad es prácticamente la del vacío), la capacidad de almacenamiento de la carga del capacitor aumenta. De hecho, la relación entre la capacidad inicial C_i y la final C_f vienen dada por la constante dieléctrica:

$\varepsilon _{r}={\frac {C_{f}}{C_{i}}}={\frac {\varepsilon }{\varepsilon _{0}}}=(1+\chi _{e})$

Donde ε es la permitividad eléctrica del dieléctrico que se inserta.

Además el valor de la constante dieléctrica $\varepsilon \,$ de un material define el grado de polarización eléctrica de la substancia cuando ésta se somete a un campo eléctrico exterior. El valor de K es afectado por muchos factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o el tipo de interacciones que presente.

Cuando un material dieléctrico remplaza el vacío entre los conductores, puede presentarse la polarización en el dieléctrico, permitiendo que se almacenen cargas adicionales.

La magnitud de la carga que se puede almacenar entre los conductores se conoce como capacitancia, y ésta depende de la constante dieléctrica del material existente entre los conductores, el tamaño, así como de la forma y la separación de los mismos.

Medición de la constante dieléctrica de los materiales

La constante dieléctrica puede ser medida de la siguiente manera, primero medimos la capacidad de un condensador de prueba en el vacío $C_{i}$ (o en aire si aceptamos un pequeño error), y luego, usando el mismo condensador y la misma distancia entre sus placas, se mide la capacidad con el dieléctrico insertado entre ellas $C_{f}$.

La constante dieléctrica puede ser calculada como:

$\varepsilon _{r}={\frac {C_{f}}{C_{i}}}.$

Factores de disipación y pérdidas dieléctricas

Cuando aplicamos una corriente alterna a un dieléctrico perfecto, la corriente adelantará al voltaje en 90°, sin embargo debido a las pérdidas, la corriente adelanta el voltaje en solo 90°-δ, siendo δ el ángulo de pérdida dieléctrica. Cuando la corriente y el voltaje están fuera de fase en el ángulo de pérdida dieléctrica se pierde energía o potencia eléctrica generalmente en forma de calor.

El factor de disipación está dado por FD=Tan δ y el factor de pérdida dieléctrica es FP=K Tan δ.

Constante dieléctrica para diferentes materiales

Material Dieléctrico	K
Vacío	1,0
Aire	1,00054
Teflón	2,1
Polietileno(CH2CH2)n	2,25
C6H6	2,28
PET ((C10H8O4)n)	3,1
SiO2	3,9
Papel	4 - 6
Al2O3	5,9
TiO3	100
BaTiO3	1500
PMN	10000
Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3

A mayor valor de la constante dieléctrica relativa (K') mejor nivel de conductividad eléctrica.