Dieléctricos y polarización
Aumenta ε_r y el campo interior se debilita
Una placa dieléctrica está dentro de un campo eléctrico externo uniforme. Las flechas celestes son el campo externo, y los pequeños dipolos de la placa, junto con las cargas ligadas rojas y azules de sus caras, muestran la polarización. Al aumentar con el deslizador la permitividad relativa ε_r, los dipolos se separan más y la carga de las caras se intensifica, y la flecha dorada, el campo neto dentro de la placa, se acorta.
Qué es un dieléctrico
Un dieléctrico es un aislante casi sin electrones libres, así que la carga no puede fluir libremente como en un conductor. Pero al aplicar un campo, las cargas positivas y negativas de cada molécula se desplazan muy ligeramente en sentidos opuestos y forman un dipolo. La carga no se va; solo se separa un poco en su sitio, y a esto se le llama polarización.
Polarización, los dipolos se alinean
Al aplicar un campo externo E₀, innumerables dipolos moleculares se alinean con él. Las moléculas que, como el agua, ya tienen un dipolo giran para alinearse, y en las que no lo tenían el campo separa las cargas y crea un dipolo nuevo. El grado de alineación, expresado como momento dipolar por unidad de volumen, es la polarización P. Dentro del material, los + y − vecinos se tocan y se anulan, pero en las dos caras extremas aparece carga ligada sin anular: − repartida en una cara y + en la otra.
El campo neto se debilita
La carga ligada de las caras crea dentro del dieléctrico un campo opuesto al externo. Este campo, que va de la cara + a la cara −, recorta parte de E₀, así que el campo neto dentro del dieléctrico es más débil que fuera. El factor de debilitamiento es la permitividad relativa ε_r, y E = E₀/ε_r. Esta fórmula vale cuando el campo entra perpendicular a las caras de la placa, como en la figura. En el aire ε_r es casi 1, y en el agua es de unos 80, así que el agua debilita mucho el campo.
D y permitividad
Para tratar por separado la parte de la polarización se define el desplazamiento eléctrico D. D = ε₀E + P. En un dieléctrico lineal P es proporcional a E, así que queda limpio como D = εE, con permitividad ε = ε_r ε₀. La ventaja de D es que la ley de Gauss se puede escribir solo con carga libre, sin contar aparte la carga ligada. ∮D·dA = Q_free, así que, aunque haya un dieléctrico, basta con contar la carga libre. Pero el desplazamiento en sí no es independiente de la carga ligada, así que para hallarlo directamente sigue haciendo falta simetría.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, al aumentar ε_r los dipolos del dieléctrico se separaron más y la carga ligada de las caras se intensificó. El campo opuesto de esa carga ligada recortó el campo externo, y la flecha dorada del campo neto se fue acortando. El factor de debilitamiento es justamente ε_r. E = E₀/ε_r. Un dieléctrico suaviza el campo eléctrico solo con la polarización, sin dejar que la carga fluya.
Los dieléctricos van de la mano con los condensadores. Llenar con un dieléctrico el espacio entre dos placas permite guardar más carga a la misma tensión. Con la misma carga, el campo y la tensión bajan en un factor εr, y por eso la capacitancia crece en un factor εr. La próxima unidad (EM-11) trata la capacitancia C = εA/d y calcula este efecto con precisión.