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EM-10 · Campo de electrostática

Dieléctricos y polarización

Al poner un dieléctrico en un campo eléctrico, sus moléculas se polarizan y el campo eléctrico neto en su interior se debilita. Al aumentar la permitividad relativa ε_r ves que los dipolos se separan más y que el campo se debilita en un factor ε_r.

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.

Permitividad relativa ε_rε_r = 3.0
Arrastra para girar; el deslizador cambia la permitividad relativa ε_r.
El campo neto dentro del dieléctrico
E = E₀/ε_r · el campo neto se debilita en un factor ε_r
P = ε₀(ε_r − 1)E · los dipolos moleculares se alinean
Campo neto (frente al externo) · 33%
Medio

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.

ObservaE = E₀/εr
El campo neto dentro de un dieléctrico es más débil en un factor εr.

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.

EligeP = ε₀(?)E
La polarización es ε₀ por (εr − 1) por 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.

Completaε = ?
La permitividad es la permitividad relativa por la permitividad del vacío.
Por tu cuentaD = ? = εE
El desplazamiento es el término de vacío más la polarización, es decir, εE.

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.

Al poner un dieléctrico en un campo eléctrico, sus moléculas se polarizan y sus cargas positivas y negativas se separan un poco. La carga ligada de las caras crea un campo opuesto al externo, así que el campo neto se debilita en un factor εr. E = E₀/εr. La polarización es P = ε₀(εr − 1)E, la permitividad ε = εr ε₀ y el desplazamiento D = ε₀E + P = εE.
El camino que sigue

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.