Concepto de dipolo eléctrico.

1.1)Concepto de dipolo eléctrico. Vector momento dipolar:

El dipolo eléctrico se define como la agrupación de dos cargas puntuales iguales y de signo opuesto separadas por cierta distancia, generalmente del orden d las dimensiones atómicas. Uno de los aspectos más característicos de los dipolos eléctricos es que su comportamiento eléctrico esta determinado fundamentalmente por la magnitud del MOMENTO DIPOLAR, u, definido como:

U = q • d

Donde “q” es el valor absoluto de una de las cargas eléctricas y “d” representa el vector distancia dirigido desde la carga negativa hacia la carga positiva.

El interés por el estudio de los dipolos eléctricos también reside en que las agrupaciones de las cargas que constituyen la materia, cuando se encuentran en presencia de un campo eléctrico se comportan de forma aproximada a como lo harían los dipolos eléctricos, bajo la acción de dicho campo. Así el comportamiento dieléctrico de los medios materiales se reduce en un gran numero de casos al estudio de la interacción de un dipolo con otros dipolos vecinos, o con campos eléctricos alternos.

1.2)Polarización de un dieléctrico. Definición del vector polarización:

Vamos a estudiar cuál es el efecto de un campo eléctrico sobre un dieléctrico, comenzando por precisar que existen dos tipos de sustancias dieléctricas una de ellas caracterizada porque las cargas eléctricas, en cada una de sus moléculas, se encuentran distribuidas simétricamente, de forma tal que el centro de simetría de las cargas positivas coincide con el centro de las cargas eléctricas negativas, llamándose estas moléculas no polares; mientras que el otro tipo está caracterizado porque la distribución de la electricidad en sus moléculas no es simétrica, es decir, que el centro de simetría de las cargas eléctrica positivas no coincide con el centro de simetría de las cargas eléctricas negativas y, por consiguiente cada molécula constituye un dipolo eléctrico y recibe el nombre de molécula polar.

Si suponemos que las moléculas no son polares e imaginamos que el dieléctrico se encuentra entre dos placas metálicas cargadas respectivamente de electricidad positiva y negativa, entonces la distribución de la electricidad pierde su simetría en todas sus moléculas, dirigiéndose las cargas eléctricas negativas hacia la parte superior y las cargas positivas hacia la parte inferior, de tal forma que cada molécula se convierte en un dipolo eléctrico. En estas condiciones decimos que el dieléctrico está polarizado.

En el caso de tratarse de moléculas polares, los dipolos eléctricos, que existen en cada molécula, en el caso de que no se encuentren en un campo eléctrico, están distribuidos con orientaciones distintas. Si ahora suponemos que el dieléctrico se encuentra en un campo eléctrico entonces las fuerzas del mismo dan lugar a un cambio de orientación de los dipolos que, sin embargo, no adquieren orientaciones paralelas, como ocurría anteriormente. No obstante, las cargas eléctricas negativas se encuentran siempre en la parte superior de los respectivos dipolos, mientras que las positivas se encuentran en la parte inferior.

Luego, tanto en un caso como en otro, en al parte próxima a la placa positiva la superficie del dieléctrico se encuentra cargada negativamente. Por otro lado, en el interior del dieléctrico las cargas eléctricas positivas de los dipolos se neutralizan con las negativas de los inmediatos, de manera que, en definitiva, la presencia del campo eléctrico da lugar a que en la superficie del dieléctrico existan cargas eléctricas; pero no varia la carga eléctrica total en el interior del mismo.

La polarización eléctrica de un material en una magnitud vectorial definida como el momento dipolar eléctrico por unidad de volumen. Por tanto, si “p” es el momento dipolar inducido en cada átomo o molécula y “n” el número de átomos o moléculas por unidad de volumen, la polarización es:

P = p • n

en general la polarización eléctrica tiene la misma dirección que el campo eléctrico aplicado.

1.3) Campo creado por un dieléctrico polarizado; densidades de carga superficial y volúmica de polarización. Vector desplazamiento.

Un dieléctrico polarizado tiene cargas sobre su superficie y, a menos que su polarización sea uniforme, también en su volumen. Estas cargas de polarización, sin embargo, estas cargas están ligadas a un átomo específico o a moléculas y no tienen libertad de moverse por el dieléctrico.

Consideremos un bloque de material dieléctrico situado entre dos placas conductoras paralelas, que tienen las mismas cargas libres pero de signo contrario. La densidad de carga superficial en la placa de la izquierda es +o libre y la de la derecha es -o libre. Estas cargas producen un campo eléctrico que polariza el bloque de modo que aparecen cargas de polarización en cada una de sus superficies. Estas cargas de polarización tienen signo contrario a las de la placa que está a su lado. Por tanto, las cargas de polarización del dieléctrico equilibran parcialmente a las cargas libres de las placas. Si P es la polarización del bloque, la densidad de carga superficial en la cara izquierda es o pol = - P , mientras en la derecha es o pol = + P. La densidad de carga superficial neta o efectiva es:

o = o libre + o pol ó o = o libre – P

con el resultado opuesto en el lado derecho. Estas cargas netas superficiales dan lugar a un campo eléctrico uniforme que está dado por E = o / Eo . Así, usando el valor efectivo de la o , tenemos:

E = 1 / Eo •(o libre - P) ó o libre = Eo • E + P

Expresión que relaciona las cargas libres de la superficie de un conductor rodeado por un dielectrico con el campo eléctrico y la polarización de este. En el caso que estamos analizando E y P son vectores que tienen la misma dirección, pero en general sus direcciones pueden ser distintas. El resultado anterior sugiere la introducción de un nuevo campo vectorial, conocido como desplazamiento eléctrico y definido como:

D = Eo • E + P

1.4)Extensión de al ley de Gauss para los dieléctricos. Susceptibilidad eléctrica y constante dieléctrica. Relación entre campo externo y vector polarización a través de la susceptibilidad eléctrica (ecuación constitutiva ) . Materiales lineales, homogéneos e isótropos: clasificación en función del comportamiento de la susceptibilidad y la constante

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