Polarizacion en los Materiales No Conductores

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Los materiales no conductores están constituidos por átomos con electrones tan fuertemente unidos a los núcleos atómicos que, la aplicación de campos eléctricos, normalmente no provocan migraciones de carga; sin embargo las cargas positivas y negativas (en equilibrio eléctrico) presentes en el material, pueden en presencia de campos eléctricos exteriormente aplicados, desplazarse ligeramente (en escala atómica) rompiéndose el equilibrio eléctrico y haciendo que se presenten dipolos orientados en la dirección del campo eléctrico; dicho desequilibrio desaparece al desaparecer el campo aplicado.

Este proceso de aparición de dipolos orientados recibe el nombre de polarización, y los materiales en los que se presenta el fenómeno son los llamados dieléctricos. Faraday fue el primero en reconocer este fenómeno como polarización dieléctrica.

Los dieléctricos pueden clasificarse en no polares, o de primera especie, y polares o de segunda especie, según que las moléculas sean no polares o polares.

  • Son moléculas no polares aquellas en las que, en ausencia de campo externo, coinciden los centros de gravedad de las cargas positivas y las cargas negativas.
  • Son moléculas polares aquellas en las que, en ausencia de campo externo, no coinciden los centros de gravedad de las cargas positivas y las cargas negativas, constituyendo dipolos (no orientados) aún sin la presencia de campos eléctricos externos.

Tipos de Polarización

Hay varios mecanismos de polarización de los dieléctricos (Fig 1), a saber:

  • Polarización electrónica,  que consiste en un desplazamiento relativo de la nube de electrones con relación al núcleo atómico.
  • Polarización iónica o atómica, que consiste en un desplazamiento relativo de los átomos que constituyen la molécula.
  • Polarización por orientación, que consiste en una orientación de las moléculas polares bajo la acción del campo aplicado.
  • Polarización por carga de espacio, que es debida a cargas que pueden migrar ciertas distancias dentro del material.

La polarización electrónica y la polarización iónica se engloban bajo el término de polarización por deformación.

La polarización electrónica tiene lugar en los átomos, iones o moléculas; bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado, se produce un desplazamiento de la nube electrónica de cada átomo, de modo que el centro de gravedad de las cargas negativas se desplaza una distancia d del núcleo positivo. Este desplazamiento provoca la formación de dipolos (dipolos inducidos), y la polarización del átomo.

La polarización iónica o atómica se presenta en sustancias iónicas con moléculas polares o no polares, las que, como consecuencia del carácter (iónico o covalente) de la unión, tienen átomos con excesos de cargas positivas o negativas (iones) que se desplazan solicitados por el campo exterior.

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Fig 1. Fenómeno de Polarización

La polarización por orientación se produce solamente en las sustancias cuyas moléculas son polares, es decir que contienen dipolos aún sin la presencia de campo eléctrico exterior. Estos dipolos normalmente distribuidos al azar se orientan en presencia de un campo exterior, con la consiguiente polarización de la sustancia.

La elevación de temperatura, al provocar un aumento del desorden de las moléculas en el espacio, disminuye los efectos de la polarización por orientación, no influenciando a las componentes de polarización por deformación. Aparentemente no todos los átomos o moléculas presentan los tres tipos de polarización descriptos, pero aparentemente todos manifiestan polarización electrónica.

Los tres tipos de polarización analizados, la polarización electrónica αe, la polarización iónica o atómica αa y la polarización por orientación αo, están planteados en substancias no conductoras perfectas. Sin embargo en la estructura de sólidos y líquidos no conductores, existen portadores de carga que pueden migrar ciertas distancias dentro del dieléctrico. Cuando estos portadores no pueden ser libremente descargados o reemplazados en los electrodos, o quedan atrapados en el material y se acumulan en los límites entre las fases de los dieléctricos multifacéticos, crean cargas de espacio y producen como consecuencia una microscópica distorsión del campo.

Esta distorsión aparece exteriormente como un aumento de la polarización, por lo que suele agregarse un cuarto mecanismo de polarización que se la llama por carga de espacio o interfacial caracterizada por la polarización por carga de espacio αs.

Los cuatro mecanismos de polarización mencionados son independientes uno del otro y la polarización total de un material dieléctrico puede escribirse como la suma de los cuatro términos:

α = αe + αa + αo + αs

El resultado neto de la polarización, es la producción de una capa de cargas positivas sobre una de las caras y una capa de cargas negativas sobre la otra cara. El fenómeno de la polarización puede visualizarse como una serie de dipolos orientados bajo la influencia del campo aplicado y formando contracargas en sus extremos opuestos.

 

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Fig 2. Dielectrico Polarizado

Un dieléctrico polarizado produce un campo propio que modifica el valor del campo que dio origen a la polarización.

En un capacitor cuando el dieléctrico se polariza, neutraliza las cargas en la superficie de los electrodos y permite que fluya una ulterior cantidad de electricidad aumentando como consecuencia la capacidad de dicho capacitor.

Constante Dieléctrica Relativa

En 1837 Faraday demostró que si se llena completamente el espacio comprendido entre dos placas de un capacitor con un dieléctrico, la capacidad del capacitor queda multiplicada por un factor k mayor que la unidad. Este factor es el llamado poder inductor específico o constante dieléctrica relativa (al vacío) εr y es independiente de la forma del capacitor, dependiendo exclusivamente del dieléctrico. Al vacío se le asigna el valor εr=1, el aire tiene un εr=1,00059 (se suele despreciar los decimales y considerarselo igual a 1).

Por definición, la constante dieléctrica relativa de un medio, es la relación entre la capacidad de un capacitor con dicho medio como dieléctrico sobre la capacidad de otro con el vacío como dieléctrico:

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donde C es la capacidad de un capacitor con un dieléctrico de constante dieléctrica ε y C0 es la capacidad de un capacitor con el vacío como dieléctrico. La llamada constante dieléctrica no es una constante, ya que su valor se ve influenciado por la temperatura y la frecuencia.

Fenomeno de Polarización

El fenómeno de la polarización puede analizarse de la siguiente manera, supóngase un dieléctrico homogéneo e isótropo (medio con iguales propiedades físicas en todas direcciones), sometido a la acción de un campo eléctrico homogéneo producido por dos capas paralelas y con cargas eléctricas.

La relación entre la intensidad del campo eléctrico E, y la intensidad del flujo (inducción o desplazamiento) D es:

D = ε E

donde ε es la llamada permitividad o constante dieléctrica absoluta del medio, y corresponde a la permeabilidad μ de los campos magnéticos, pero a diferencia de ésta su valor es independiente de E y de D:

ε = εr + εo

siendo εo la constante dieléctrica absoluta del vacío (en el sistema M.K.S. ε0=8,854·10–12 [F/m]) y εr la constante dieléctrica relativa al medio.

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Fig 3. Dieléctrico sumergido en un Campo Eléctrico

Si en el dieléctrico en cuestión se extrae hipotéticamente un pequeño elemento de volumen ∂x·∂y·∂z elegido de modo que ∂z sea perpendicular a las placas (Fig 3), se provoca evidentemente una distorsión del campo, y el mismo deja de ser homogéneo (Fig 4), es decir, que si Ei y Ee representaban el campo dentro y fuera de la cavidad, EiEe.

Si se desea establecer el campo primitivo, es decir, tener Ei = Ee = E, se deberá buscar que:

polarizacion fenomeno

o sea, que la densidad de flujo eléctrico sea εr veces mas pequeño dentro de la cavidad. Esto se logra si se dispone de cargas eléctricas en la superficie límite de la cavidad.

Polarizacion campo electrico

Fig 4. Polarizacion en un Campo Electrico no Homogeneo

Es decir que para homogeneizar el campo, se deberán colocar una carga positiva (DeDi∂x·∂y, y una carga negativa –(DeDi∂x·∂y sobre las caras derechas e izquierda respectivamente del elemento de volumen. A este sistema de cargas le corresponde un momento (DeDi∂x·∂y.∂z, y puede deducirse que, evidentemente, el material extraído aportaba un momento de esta magnitud.

Recordando que De/Di = εr puede escribirse:

polarizacion-momento-magnetico

Del análisis realizado se deduce que el material tiene, cuando esta sometido a la acción de un campo E, un momento bipolar por unidad de volumen

P = εo(εr – 1)·E = (ε – ε0)·E

P es la polarización del dieléctrico que se expresa también en carga por unidad de área [Coulomb/m2] y se llama vector polarización o momento dipolar por unidad de volumen.
El término (εr – 1) = X se llama susceptibilidad eléctrica.

La palabra polarización se utiliza cualitativamente, refiriéndose a los desplazamientos relativos de cargas positivas y negativas, y cuantitativamente como una medida del momento dipolar por unidad de volumen en la sustancia polarizada.

La expresión del momento dipolar por unidad de volumen puede escribirse como:

P = εo.εr.E – εo.E =D – εo.E

es decir: D = εo.E + P

Esta expresión constituye una definición general de D, y suministra la relación fundamental entre E, D y P. De la expresión anterior se obtiene:

3-vectores-magneticosque muestra como se reduce el campo E de su valor D/ε0 en virtud del campo de polarización inducido en el dieléctrico.

Existe una relación sencilla entre la polarización P y la densidad superficial de carga de polarización σP [Culombio/m2]. Esta relación puede obtenerse del siguiente razonamiento:

Se supone un bloque de dieléctrico, de superficie lateral S y longitud L, situado en un campo eléctrico, uniforme y exteriormente aplicado, como muestra la Fig 5.

 

dielectrico inmerso campo electrico

Fig 5. Dielectrico Inmerso en un Campo Electrico

El momento dipolar total del bloque será P por el volumen del mismo P·S·L. Por otra parte, se puede considerar el bloque como un gran dipolo formado por las cargas ±c·S separadas por la distancia L. En este caso, el momento dipolar del bloque será: σP·S·L.

Comparando esta expresión con la anterior, se obtiene la relación buscada:

P = |σP|

Materiales No Conductores – Colección

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC
Etiquetas
absoluta, atomica, campo electrico, carga de espacio, constante dielectrica, densidad superficial carga, electronica, fenomeno, ionica, materiales no conductores, momento, orientacion, polarizacion, relativa
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