1.5. Conductores y dieléctricos en un campo eléctrico Cualquier

 Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru 1.5. Conductores y dieléctricos en un campo eléctrico
Cualquier cuerpo puede de una u otra manera cambiar sus propiedades al introducirse en un campo
eléctrico. Esto se puede explicar debido a que todos los cuerpos están compuestos de partículas
cargadas, las cuales interactúan con el campo. En ausencia de campo externo, las partículas se
distribuyen dentro del cuerpo de tal manera que el campo eléctrico promedio que generan en un volumen
con gran cantidad de átomos o moléculas es igual a cero. Cuando hay campo externo, sucede una
redistribución de las partículas cargadas y dentro del cuerpo surge un campo eléctrico propio. El campo
eléctrico total es, de acuerdo al principio de superposición, igual a la suma del campo externo
y el
creado por las partículas cargadas dentro del cuerpo.
campo interno
Los cuerpos o sustancias difieren unos de otros en sus propiedades eléctricas. Los tipos más comunes
de sustancias son los conductores y los dieléctricos.
La principal particularidad de los conductores es la presencia de cargas libres (electrones), los cuales
participan en el movimiento térmico y pueden desplazarse libremente por todo el volumen del conductor.
Los conductores más comunes son los metales.
En ausencia de campo externo, en cualquier elemento de volumen del conductor la carga negativa libre
se compensa con la carga positiva de la celda iónica. Dentro del conductor sometido a un campo
eléctrico sucede una redistribución de las cargas libres y como resultado en una parte de la superficie del
conductor surgen cargas positivas y en otra surge la misma cantidad de cargas negativas que no se
compensan (dibujo 1.5.1). Este proceso se denomina inducción electrostática, y las cargas que
aparecen en la superficie del conductor se denominan cargas inducidas.
Las cargas inducidas forman su propio campo , el cual se compensa con el campo
volumen del conductor:
0 (dentro del conductor).
en todo el
El campo eléctrico dentro del conductor es igual a cero, y los potenciales en todos los puntos son iguales
entre sí, e iguales al potencial en la superficie del conductor.
dibujo 1.5.1.
Inducción electrostática.
Todas las regiones internas del conductor sometido a un campo eléctrico quedan eléctricamente
neutralizadas. Si quitamos cierto volumen dentro del conductor y con ello formamos una región vacía,
entonces el campo eléctrico dentro de dicha región es igual a cero. Este es el fundamento de la pantalla
electrostática (o protección electrostática) que se utiliza para evitar la influencia del campo en
instrumentos que son sensibles al mismo. Una caja metálica puede servir como pantalla electrostática
(fig. 1.5.2).
1 Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru Dibujo 1.5.2.
Pantalla electrostática. El campo adentro de la región metálica es igual a
cero.
Como la superficie del conductor es equipotencial, las líneas de campo en la superficie deben ser
perpendiculares a ella.
A diferencia de los conductores, en los dieléctricos (o aislantes) no hay cargas eléctricas libres. Estos
están compuestos de átomos o moléculas neutras. Las partículas cargadas en un átomo neutro están
ligadas unas con otras y no pueden desplazarse a través de todo el volumen por acción del campo.
Al introducir un dieléctrico en un campo eléctrico externo
dentro de aquel surge cierta redistribución
de las cargas que componen los átomos o moléculas. Como resultado de esa redistribución, en la
superficie del dieléctrico surgen ciertas cargas ligadas que no se compensan. Todas las partículas
cargadas que forman las cargas ligadas macroscópicas continúan siendo parte de los átomos.
Las cargas ligadas forman un campo eléctrico , el cual dentro del dieléctrico está dirigido en dirección
contraria al campo externo . Este proceso se denomina polarización del dieléctrico. Como resultado,
la magnitud del campo total eléctrico
dentro del dieléctrico menor que la del campo externo
.
La magnitud física que es igual a la relación del módulo del campo eléctrico externo
en el vacío con el
módulo del campo total dentro del dieléctrico homogéneo se denomina permeabilidad dieléctrica de
la sustancia y se denota por la letra griega épsilon:
Existen varios mecanismos de polarización de los dieléctricos. Los principales son la polarización
orientada y la polarización electrónica. Estos mecanismos se revelan principalmente al polarizar
dieléctricos líquidos y gaseosos.
La polarización orientada o dipolar surge en el caso de los dieléctricos polares, compuestos de
moléculas, en las cuales los centros de distribución de las cargas positivas y negativas no coinciden.
Dichas moléculas son dipolos eléctricos microscópicos, es decir un grupo neutro de dos cargas iguales
en módulo y de signo contrario, situadas a cierta distancia una de la otra. Por ejemplo, la molécula de
agua tiene un momento dipolar, así como las moléculas de otros dieléctricos (H2S, NO2 etc.).
En ausencia de campo eléctrico externo, los ejes de los dipolos moleculares están orientados
aleatoriamente debido al movimiento térmico de tal manera que en la superficie del dieléctrico y en
cualquier elemento de volumen la carga eléctrica promedio es igual a cero.
Al someter el dieléctrico a un campo eléctrico externo
surge una orientación parcial de los dipolos
moleculares. Como resultado, en la superficie del dieléctrico aparecen cargas macroscópicas ligadas que
no se compensan, y que crean un campo con dirección contraria al campo externo
(dib. 1.5.3).
2 Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru Dibujo 1.5.3.
Mecanismo de polarización orientada de un dieléctrico polar.
La polarización de los dieléctricos polares tiene una dependencia muy marcada de la temperatura, ya
que el movimiento térmico de las moléculas tiene un rol desorientador.
Mecanismo electrónico o elástico. Éste se refleja al polarizar dieléctricos no polares, cuyas moléculas no
tienen momento dipolar en ausencia de campo externo. Bajo la acción del campo eléctrico, las moléculas
de los dieléctricos no polares se deforman, es decir las cargas positivas se desplazan en dirección del
vector
y las negativas en dirección contraria. Como resultado, cada molécula se convierte en un dipolo
eléctrico cuyo eje está orientado hacia la dirección del campo externo. En la superficie del dieléctrico
aparecen cargas ligadas que no se compensan, las cuales crean su propio campo
orientado en
dirección contraria a la del campo externo . De este modo sucede la polarización del dieléctrico no
polar (dibujo 1.5.4).
La deformación de las moléculas no polares bajo la acción del campo eléctrico externo, no depende de
su movimiento térmico, por eso la polarización del dieléctrico no polar no depende de la temperatura. Un
ejemplo de molécula no polar puede servir la molécula del Metano CH4. En esta molécula un ion
cuádruple de carbono C se sitúa en el centro de una pirámide simétrica, en cuyos vértices se sitúan los
iones de hidrógeno H . Cuando se introduce el campo eléctrico exterior, el ion de carbono se corre del
centro de la pirámide y a la molécula le aparece un momento dipolar, proporcional al campo externo.
Dibujo 1.5.4.
Polarización del dieléctrico no polar.
El campo eléctrico
de las cargas ligadas, que surge cuando se polarizan los dieléctricos polares y no
polares, cambia en módulo directamente proporcional al módulo del campo externo
. En campos
3 Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru eléctricos muy fuertes este comportamiento puede no suceder y entonces aparecen una serie de efectos
no lineales. En el caso de los dieléctricos polares en los campos fuertes se puede observar el efecto de
saturación cuando todos los dipolos moleculares se ordenan a lo largo de las líneas de campo. En el
caso de los dieléctricos no polares, el campo externo fuerte, comparado en módulo con el campo
interatómico, puede deformar sustancialmente los átomos o las moléculas de la sustancia y cambiar sus
propiedades eléctricas. Sin embargo, estos fenómenos prácticamente nunca se observan, ya que para
ello se requieren campos de 1010 a 1012 V/m.
En muchas moléculas no polares al polarizarse se deforman las capas electrónicas, por eso este
mecanismo recibió el nombre de polarización electrónica. Este mecanismo es universal, ya que la
deformación de las capas electrónicas por acción del campo eléctrico sucede en los átomos, moléculas y
iones de cualquier dieléctrico.
En el caso de los dieléctricos cristalinos sólidos se observa la llamada polarización iónica, con la cual
los iones de diferentes signos, que componen la red cristalina, al someterlos al campo externo se corren
en direcciones contrarias, ocasionando en los bordes del cristal el surgimiento de cargas ligadas no
compensadas. Como ejemplo de este mecanismo puede servir la polarización del cristal NaCl, en el cual
los iones Na+ y Cl– componen dos sub-redes, introducidas una en la otra. En ausencia del campo externo
cada celda elemental del cristal NaCl es eléctricamente neutra y no tiene momento dipolar. Con el campo
eléctrico externo ambas sub-redes se corren en direcciones contrarias, es decir el cristal se polariza.
Al polarizarse un dieléctrico no homogéneo, las cargas ligadas pueden surgir no solamente en las
superficies sino también dentro del dieléctrico. En este caso el campo eléctrico de las cargas ligadas y
el campo total pueden tener una estructura complicada, dependiente de la geometría del dieléctrico.
La afirmación de que el campo eléctrico en el dieléctrico, es veces menor en módulo que el campo
externo
es estrictamente justa solamente en el caso del dieléctrico homogéneo, el cual llena todo el
espacio en el que está creado el campo externo. En particular: si en un dieléctrico homogéneo con
permeabilidad dieléctrica se encuentra una carga puntual Q, entonces el campo
creado por esta
carga en cierto punto y el potencial son veces menor que en el vacío:
1
4
1
,
4
4