01-Cargas inducidas y dipolos
Tags: #dieléctricos #polarización #dipolos
Cuando un material aislante (dieléctrico) se coloca dentro de un campo eléctrico, sus cargas no pueden fluir libremente como ocurre en los metales. En su lugar, las moléculas del material sufren una deformación o reordenamiento interno llamado polarización. Este reordenamiento no anula el campo eléctrico interior, pero genera "cargas inducidas" en las superficies del material que alteran el campo resultante.
Enlaces relacionados: 04-Campo dentro de un conductor
1. Dieléctricos vs. Conductores en un campo eléctrico
Recordemos qué pasaba cuando poníamos un conductor metálico en un campo eléctrico: las cargas libres se movían hasta las superficies exteriores hasta que el campo interior se anulaba por completo (formando un volumen equipotencial).
Si colocamos un cuerpo no conductor (dieléctrico), la cosa cambia. Al no tener cargas libres, los electrones no pueden viajar de un extremo al otro del material. Sin embargo, el campo eléctrico exterior "tira" de los núcleos positivos hacia un lado y de los electrones negativos hacia el otro. Como no pueden escaparse, se desplazan solo un poquito, manteniéndose ligados a su átomo. A este proceso de estiramiento o reordenamiento atómico lo llamamos polarización.
2. Tipos de moléculas: polares y no polares
El comportamiento microscópico del material depende de cómo están armadas sus moléculas desde el principio.
A. Moléculas no polares
En estado natural, el centro de la gravedad de sus protones coincide exactamente con el de sus electrones (son simétricas). Al aplicar un campo eléctrico exterior, las cargas se ven forzadas a separarse ligeramente. Entran en juego fuerzas elásticas recuperadoras que mantienen unida a la molécula; las cargas se separan hasta que esta fuerza de ligadura interna empata con la fuerza del campo eléctrico. A esta molécula "estirada" se la llama dipolo inducido.
B. Moléculas polares
Son moléculas asimétricas (como la del agua) donde los centros de carga positiva y negativa no coinciden, formando un dipolo permanente. Cuando encendemos un campo eléctrico exterior, el campo ejerce un torque sobre estos dipolos y los orienta para que se alineen todos en la dirección del campo.
3. Cargas inducidas superficiales
Ya sea estirando moléculas no polares o alineando las polares, el resultado macroscópico es el mismo: el bloque de dieléctrico se polariza.
En el volumen interior del material, la carga neta sigue siendo rigurosamente nula, porque cada extremo positivo de un dipolo se cancela con el extremo negativo del dipolo vecino. Pero en las superficies exteriores del material no hay vecinos para cancelar. Esto provoca la aparición de dos capas superficiales infinitamente delgadas que tienen un exceso de carga (una positiva y otra negativa).
A estas cargas se las llama cargas inducidas o cargas ligadas (porque no están libres, sino atadas a los átomos de la superficie). Estas capas crean su propio campo eléctrico interior que se opone al campo exterior original, debilitándolo, pero (a diferencia de los conductores) no logran anularlo por completo.