Dieléctricos y polarización
Sube ε_r y mira debilitarse el campo
Una placa dieléctrica está en un campo externo uniforme. Sube la permitividad relativa ε_r. ¿Cuánto se separan los dipolos dentro? ¿Qué pasa con el campo neto (la flecha dorada)?
Qué es un dieléctrico
Un dieléctrico es un aislante con casi ningún electrón libre. A diferencia de un conductor, la carga no fluye libremente. Pero bajo un campo, las cargas positivas y negativas de cada molécula se desplazan un poco en sentidos opuestos, formando dipolos. La carga no fluye, pero se separa un poco en su sitio. Esto se llama polarización.
Polarización, los dipolos se alinean
Aplica un campo externo E₀ y un sinfín de dipolos moleculares se alinean con él. El grado de alineación, como momento dipolar por unidad de volumen, es la polarización P. En el interior los + y − vecinos se tocan y se cancelan, pero en las dos superficies extremas aparece carga ligada sin cancelar: una capa de − en una cara y + en la otra.
El campo neto se debilita
La carga ligada superficial crea dentro del dieléctrico un campo opuesto al externo. Yendo de la superficie + a la −, cancela parte de E₀. Así que el campo neto dentro es más débil que fuera. El factor de debilitamiento es la permitividad relativa ε_r: E = E₀/ε_r. El aire tiene ε_r cercano a 1; el agua, unos 80, debilitando mucho el campo.
D y permitividad
Para tratar la polarización por separado, definimos el desplazamiento eléctrico D = ε₀E + P. En un dieléctrico lineal P es proporcional a E, así que D = εE limpiamente, con permitividad ε = ε_r ε₀. La virtud de D es que ignora la carga ligada y responde solo a la libre. Así, la ley de Gauss en términos de D es ∮D·dA = Q_free: aun con un dieléctrico, cuentas solo la carga libre.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, subir ε_r separó más los dipolos dentro del dieléctrico y acentuó la carga ligada superficial. El campo opuesto que crean fue comiéndose el campo externo, y la flecha dorada del campo neto se hizo cada vez más corta. El factor de debilitamiento es ε_r mismo: E = E₀/ε_r. Un dieléctrico doma el campo solo con la polarización, sin dejar nunca fluir la carga.
Los dieléctricos se emparejan con los condensadores. Llena el hueco entre dos placas con un dieléctrico y, al mismo voltaje, el campo debilitado deja a las placas guardar εr veces más carga: la capacitancia crece por εr. La próxima unidad (EM-11) trata la capacitancia C = εA/d y cuenta este efecto con precisión.