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Electromagnetismo
Indice1.5. Conductores y dieléctricos en un campo eléctricoCualquier
cuerpo introducido en un campo eléctrico, lo puede cambiar sustancialmente.
Esto se puede explicar con el hecho de que el cuerpo está compuesto
de partículas cargadas. En ausencia de campo externo, las partículas
se distribuyen dentro del cuerpo de tal manera que el campo eléctrico
medio que generan en un volumen con gran cantidad de átomos o
moléculas, es igual a cero. Cuando hay campo externo, sucede
una redistribución de las partículas cargadas y dentro del cuerpo
surge un campo eléctrico propio. El campo eléctrico total Los cuerpos o sustancias difieren unos de otros en sus propiedades eléctricas. Los tipos más comunes de sustancias son los conductores ydieléctricos. La principal particularidad de los conductores es la presencia de cargas libres (electrones), los cuales participan en el movimiento térmico y pueden desplazarse por todo el volumen del conductor. Los conductores más comunes son los metales. En ausencia de campo externo, en cualquier elemento de volumen del conductor la carga negativa libre se compensa con la carga positiva de la celda iónica. En el conductor, que es sometido a un campo eléctrico sucede una redistribución de las cargas libres y como resultado en la superficie del conductor surgen cargas positivas y negativas que no se compensan (dibujo 1.5.1). Este proceso se denomina inducción electrostática, y las cargas que aparecen en la superficie del conductor – cargas inducidas. Las
cargas inducidas forman su propio campo El campo eléctrico dentro del conductor es igual a cero, y los potenciales en todos los puntos son iguales entre sí, e iguales al potencial en la superficie del conductor.
Todas las regiones internas del conductor sometido a un campo eléctrico quedan neutrales eléctricamente. Si quitamos cierto volumen dentro del conductor y con ello formamos una región vacía, entonces el campo eléctrico dentro de dicha región es igual a cero. En esto se basa la pantalla electrostática (protección electrostática) que se utilizan para evitar la influencia del campo en instrumentos que son sensibles al mismo. Estos instrumentos entonces son introducidos en cajas metálicas (fig. 1.5.2).
Como la superficie del conductor es equipotencial, las líneas de campo en la superficie deben ser perpendiculares a ella. A diferencia de los conductores, en los dieléctricos (aislantes) no hay cargas eléctricas libres. Ellos están compuestos de átomos o moléculas neutrales. Las partículas cargadas en un átomo neutral están ligadas unas con otras y no pueden desplazarse por acción del campo a través de todo el volumen del dieléctrico. Al
introducir un dieléctrico en un campo eléctrico externo Las
cargas ligadas forman un campo eléctrico La
magnitud física, igual a la relación del módulo del campo eléctrico
externo
Existen varios mecanismos de polarización de los dieléctricos. Los principales de ellos son la polarización de orientación y la polarización electrónica. Estos mecanismos se revelan principalmente al polarizar dieléctricos líquidos y gaseosos. La polarización de orientación o dipolar surge en el caso de los dieléctricos polares, compuestos de moléculas, en las cuales los centros de distribución cargas positivas y negativas no coinciden. Dichas moléculas son dipolos eléctricos microscópicos, es decir un grupo neutral de dos cargas iguales en módulo y de signo contrario, situadas a cierta distancia una de la otra. Por ejemplo, la molécula de agua tiene un momento dipolar, así como las moléculas de otros dieléctricos (H2S, NO2 etc.). En ausencia de campo eléctrico externo, los ejes de los dipolos moleculares están orientados caóticamente debido al movimiento térmico de tal manera que en la superficie del dieléctrico y en cualquier elemento de volumen la carga eléctrica media es igual a cero.. Al
someter el dieléctrico en un campo eléctrico externo
La polarización de los dieléctricos polares tiene una dependencia fuerte de la temperatura, ya que el movimiento térmico de las moléculas juega un papel de factor desorientador. Mecanismo electrónico o elástico. Este se refleja
al polarizar dieléctricos no polares, cuyas moléculas no tienen
momento dipolar en ausencia de campo externo. Bajo la acción
del campo eléctrico, las moléculas de los dieléctricos no polares
se deforman, es decir las cargas positivas se desplazan en dirección
del vector La deformación de las moléculas no polares bajo la acción del campo eléctrico externo, no depende de su movimiento térmico, por eso la polarización del dieléctrico no polar no depende de la temperatura. Un ejemplo de molécula no polar puede servir la molécula del Metano CH4. En esta molécula un ion cuádruple de carbono C4– se sitúa en el centro de una pirámide simétrica, en cuyos vértices se sitúan los iones de hidrógeno H+. Cuando se sobrepone el campo eléctrico exterior, el ion de carbono se corre del centro de la pirámide y a la molécula le aparece un momento dipolar, proporcional al campo externo.
El
campo eléctrico En muchas moléculas no polares al polarizarse se deforman las capas electrónicas, por eso este mecanismo recibió el nombre de polarización electrónica. Este mecanismo es universal, ya que la deformación de las capas electrónicas por acción del campo eléctrico sucede en los átomos, molécuals y iones de cualquier dieléctrico. En el caso de los dieléctricos cristalinos sólidos se observa la llamada polarización iónica, con la cual los iones de diferentes signos, que componen la red cristalina, al sobreponer el campo externo se corren a las direcciones contrarias, ocasionando en los bordes del cristal el surgimiento de cargas ligadas (no compensadas). Como ejemplo de este mecanismo puede servir la polarización del cristal NaCl, en el cual los iones Na+ y Cl– componen dos sub-redes, introducidas una en la otra. En ausencia del campo externo cada celda elemental del cristal NaCl es neutral eléctricamente y no tiene momento dipolar. En el campo eléctrico externo ambas sub-redes se corren en direcciones contrarias, es decir el cristal se polariza. Al
polarizarse un dieléctrico no
homogéneo las cargas ligadas pueden surgir no solamente
en las superficies, sino tambien en el volumen del dieléctrico.
En este caso el campo eléctrico Si
en un dieléctrico homogéneo con permeabilidad dieléctrica e
se encuentra una carga puntual
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