La capacidad dieléctrica determina cuánta carga eléctrica puede almacenar un sistema de conductores separados por un aislante. De ella dependen el valor real de un condensador, la capacidad por metro de un cable, las corrientes de fuga capacitivas de una instalación y el diagnóstico de aislamientos en transformadores, motores y pasatapas.
De esta manera, entender la capacidad dieléctrica permite interpretar correctamente una lectura del medidor LCR, elegir el material dieléctrico adecuado para un diseño y detectar humedad o envejecimiento en un aislamiento antes de que falle.
En este artículo explicamos qué es la capacidad dieléctrica, qué papel juega la constante dieléctrica de cada material, y cómo calcularla. ¡Toma nota!
¿Qué es la capacidad dieléctrica?
La capacidad dieléctrica es la capacidad eléctrica (C) que presenta un conjunto de dos conductores cuando el espacio entre ellos está ocupado por un material dieléctrico. Se define como la relación entre la carga almacenada y la tensión aplicada, y se mide en faradios (F):
C = Q/V
La clave está en el dieléctrico. Si se sustituye el vacío entre las armaduras por un aislante, la capacidad aumenta en un factor igual a la constante dieléctrica (εr) de ese material:
donde C0 es la capacidad del mismo conjunto en vacío. Por eso, a igualdad de geometría, un condensador cerámico almacena mucha más carga que uno de aire: no cambia el tamaño, cambia el material.
En la práctica, la capacidad dieléctrica depende de tres variables: el área enfrentada de los conductores, la distancia que los separa y la constante dieléctrica del aislante. Las dos primeras las fija la geometría; la tercera, el material dieléctrico elegido.
Material dieléctrico: qué es y por qué aumenta la capacidad
Un material dieléctrico es un aislante que, sometido a un campo eléctrico, no conduce corriente de forma apreciable pero sí se polariza. Sus cargas ligadas se desplazan ligeramente y forman dipolos orientados en contra del campo aplicado.
Esa polarización crea un campo interno opuesto que reduce el campo neto entre las armaduras. Con menos campo para la misma carga, la tensión baja; o, visto al revés, con la misma tensión el sistema acepta más carga. Ese es el origen físico del aumento de capacidad dieléctrica.
La polarización se produce por cuatro mecanismos, cada uno activo hasta una frecuencia distinta:
- Electrónica: desplazamiento de la nube electrónica respecto al núcleo. Responde hasta frecuencias ópticas.
- Iónica: desplazamiento relativo de iones en redes cristalinas, como en cerámicas. Activa hasta el infrarrojo.
- Dipolar u orientacional: giro de moléculas polares, como el agua. Se pierde entre los MHz y los GHz.
- Interfacial (Maxwell-Wagner): acumulación de carga en fronteras entre materiales o impurezas. Domina a baja frecuencia, por debajo de los kHz.
Esta distinción tiene consecuencias prácticas: el mismo material dieléctrico no presenta la misma constante dieléctrica a 50 Hz que a 1 MHz. Por eso todo valor de εr debe ir acompañado de la frecuencia y la temperatura de medida.
¿Cómo calcular la capacidad dieléctrica?
El cálculo de la capacidad dieléctrica depende de la geometría. Estas son las configuraciones que más aparecen en la práctica industrial, más el cálculo inverso que se usa en laboratorio.
1. Condensador de placas paralelas
Es el modelo base y el que se usa para caracterizar materiales:
Con A el área enfrentada de las placas (m²) y d la separación o espesor del dieléctrico (m). La fórmula asume un campo uniforme; los efectos de borde la hacen menos precisa cuando d no es mucho menor que las dimensiones de las placas.
2. Condensador multicapa (MLCC)
Con n electrodos intercalados, actúan n − 1 dieléctricos en paralelo:
Así se consiguen microfaradios encapsulados de milímetros: muchas capas finas y una cerámica de constante dieléctrica muy alta.
3. Cable coaxial o cable apantallado
Para un conductor de radio a dentro de una pantalla de radio interior b, la capacidad por unidad de longitud es:
4. Dieléctricos en serie: el caso de la burbuja de aire
Cuando entre las armaduras hay dos capas de materiales distintos, de espesores d1 y d2, se comportan como dos condensadores en serie:
El dato relevante para el mantenimiento es cómo se reparte el campo. En capas en serie, el campo en cada una es inversamente proporcional a su constante dieléctrica: E1 / E2 = εr2 / εr1. Una burbuja de aire (εr ≈ 1) dentro de un aislamiento de XLPE (εr ≈ 2,3) soporta un campo 2,3 veces mayor que el polímero que la rodea, y además el aire tiene una rigidez dieléctrica mucho menor. Ese es el mecanismo que origina las descargas parciales en cables, bornas y transformadores secos.
5. Cálculo inverso: obtener la constante dieléctrica de una muestra
En laboratorio se hace al revés: se mide la capacidad con un medidor LCR y se despeja εr.
Factores que modifican la constante dieléctrica
La constante dieléctrica de una hoja de datos es un valor nominal en unas condiciones concretas. En servicio, cinco factores la desplazan y, con ella, la capacidad dieléctrica real.
- Frecuencia. Al subir la frecuencia, los mecanismos de polarización más lentos dejan de seguir al campo y εr cae. Los materiales polares, como el PVC, muestran caídas notables entre 50 Hz y 1 MHz; los apolares, como el PTFE o el polipropileno, son casi planos.
- Temperatura. Afecta de forma distinta según el material. En condensadores cerámicos, la clase C0G se mantiene dentro de 0 ± 30 ppm/°C, mientras que un X7R admite ±15 % entre −55 y +125 °C y un Y5V, de +22 % a −82 % entre −30 y +85 °C.
- Humedad. El agua absorbida eleva tanto la capacidad como la tan δ. Es la base del diagnóstico de aislamientos por capacidad y factor de disipación en transformadores, pasatapas y máquinas rotativas.
- Tensión continua aplicada (DC bias). En cerámicas ferroeléctricas de clase 2, la polarización de continua reduce la capacidad efectiva. Un MLCC X7R puede perder más de la mitad de su valor nominal cerca de su tensión asignada, según tamaño y fabricante.
- Envejecimiento y degradación. Oxidación de aceites, arborescencias en polímeros o pérdida de plastificante alteran εr y tan δ con el tiempo. Las cerámicas de clase 2 además pierden capacidad de forma logarítmica tras su fabricación.
Por todo ello, cuando se compara una medida con un valor de referencia, hay que igualar frecuencia, temperatura y tensión de prueba. De lo contrario, la diferencia puede deberse a las condiciones de ensayo y no al estado del material dieléctrico.
Capacidad dieléctrica y rigidez dieléctrica: no son lo mismo
La capacidad dieléctrica y la rigidez dieléctrica son dos propiedades distintas que a menudo se confunden. La capacidad dieléctrica (y la constante dieléctrica que la determina) mide cuánta carga almacena el sistema. La rigidez dieléctrica mide el campo eléctrico máximo que soporta el material antes de perforarse.
| Capacidad / constante dieléctrica | Rigidez dieléctrica | |
| Qué indica | Capacidad de almacenar carga | Límite antes de la ruptura |
| Unidad | F (capacidad); adimensional (εr) | kV/mm |
| Ensayo | No destructivo, a baja tensión | Destructivo (ruptura) o de soportabilidad (hipot) |
| Equipo | Medidor LCR, analizador de impedancia | Ensayador de rigidez dieléctrica o hipot |
Un material puede tener una constante dieléctrica alta y una rigidez modesta, como las cerámicas de titanato de bario, o una constante baja y una rigidez muy alta, como el PTFE. Ambas se combinan en la densidad de energía máxima que admite un dieléctrico. Por eso, en el diseño de condensadores de potencia o de aislamientos de alta tensión, la elección del material dieléctrico siempre equilibra las dos propiedades.
Cómo medir la capacidad dieléctrica en laboratorio y en campo
El cálculo da un valor teórico; la medida da el valor real del componente o del aislamiento. A continuación, desde Distron, entramos en detalle en las herramientas habituales y para qué sirve cada una.
| Equipo | Qué mide |
| Multímetro con función de capacidad | C a una frecuencia fija |
| Medidor LCR | C, tan δ (D), Q, ESR a frecuencia y tensión seleccionables |
| Analizador de impedancia o de respuesta en frecuencia | C y tan δ en un barrido de frecuencia |
| Equipos de capacidad y tan δ de alta tensión | C y tan δ a tensión de servicio |
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