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¿Qué es un conductor?
Un conductor es una sustancia que facilita el libre flujo de partículas cargadas. Las sustancias que contienen un número relativamente grande de portadores de carga libre se denominan conductores. Los metales, por ejemplo, se consideran buenos conductores eléctricos. En los metales, los electrones pueden moverse libremente, ya que no están ligados a la red cristalina del metal y, por tanto, son portadores de carga libres. Imaginemos una barra metálica situada en un campo eléctrico igual a cero \((E=0)\). En tal caso, los electrones se distribuyen uniformemente por la superficie de la varilla metálica. Ahora bien, si colocamos la misma varilla en un campo eléctrico no igual a cero, todos los portadores de carga libres se desplazarán hacia un extremo del objeto a causa de la fuerza eléctrica que experimentan los portadores de carga debido a la fuerza de Coulomb.
La fuerza de Coulomb es la fuerza que actúa entre dos cargas puntuales haciendo que se atraigan o repelan en el vacío, y puede expresarse como:
$$F=k\frac{\left|q_1\right|\left|q_2\right|}{r^2}.$$
La constante de proporcionalidad \(k\) se conocecomo constante de Coulomb:
$$k=\frac1{4\pi\varepsilon_0}=8.99\times10^9\;\mathrm{Nm}^2\mathrm C^{-2}$$
La fuerza de Coulomb es proporcional al producto de la magnitud de dos cargas puntuales (\(q_1\) y \(q_"\)) e inversamente proporcional a la distancia \(r\) entre las cargas al cuadrado. En otras palabras, a medida que aumenta la distancia entre dos cargas puntuales, la fuerza entre ellas disminuye con el cuadrado de su separación. Este fenómeno se denomina inducción electrostática y da lugar a la separación de cargas negativas y positivas en un conductor.
¿Qué es un dieléctrico?
De forma más general, un material que no facilita fácilmente el flujo de portadores de carga libre se denomina aislante eléctrico.
Las sustancias que apenas tienen portadores de carga libre, pero que pueden polarizarse dieléctricamente, se denominan dieléctricas. Ejemplos familiares de la vida cotidiana son el aire, el plástico y el alcohol. Hay dos categorías de dieléctricos: polares y no polares. Si colocamos un dieléctrico no polar en un campo eléctrico igual a cero, los centros de las cargas positiva y negativa coinciden. Si el mismo dieléctrico se coloca en un campo eléctrico distinto de cero, los centros ya no coinciden y, por tanto, se forma un dipolo.
En un dieléctrico polar, cada molécula forma su propio dipolo orientado al azar debido al movimiento térmico, sin necesidad de un campo eléctrico externo. Si se aplica un campo eléctrico externo, los dipolos se alinean en la dirección del campo. Este proceso se conoce como polarización de un dieléctrico.
Definición de dipolo eléctrico
Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos partículas de igual tamaño y cargas opuestas, separadas por una pequeña distancia.
A continuación puedes ver un diagrama que muestra un dipolo eléctrico.
Dos partículas de igual magnitud y carga opuesta separadas por una pequeña distancia creando un dipolo eléctrico, StudySmarter Originals
Como las cargas son de igual magnitud, los signos opuestos se anulan, haciendo que la carga total del sistema sea cero. El punto medio entre las dos cargas se conoce como centro del dipolo.
Campo eléctrico dipolar
Veamos qué le ocurriría a un dipolo eléctrico situado en un campo eléctrico. Como se ve en la figura siguiente, las líneas del campo eléctrico se extienden desde la carga positiva hasta la carga negativa. Se dirigen radialmente hacia fuera de la carga positiva y radialmente hacia dentro de la carga negativa. En consecuencia, también son perpendiculares a la superficie de las cargas puntuales y, por tanto, son líneas equipotenciales.
Las líneasequipotenciales representan secciones de potencial eléctrico constante y son siempre perpendiculares a las líneas de campo eléctrico. Si se desplazara una carga a lo largo de cualquiera de estas líneas, no se realizaría ningún trabajo.
Dipolo eléctrico situado en un campo eléctrico. Las líneas curvas del campo eléctrico se expanden desde la carga positiva hacia la negativa. Las líneas deequiparación son perpendiculares a las cargas puntuales, Wikimedia Commons
Si un dieléctrico crea un dipolo, éste tendrá su propio campo eléctrico, que actuará en dirección opuesta al campo eléctrico externo. Esta interacción provocará una reducción global del campo eléctrico. Dependiendo del dieléctrico utilizado, la magnitud de esta reducción será diferente. Un parámetro utilizado para distinguir el nivel de cambio se conoce como permeabilidad dieléctrica \(\epsilon\). Esencialmente, describe el factor por el que el dieléctrico debilitará el campo eléctrico externo.
Las moléculas dieléctricas ya tienen o desarrollan dipolos eléctricos en presencia de un campo eléctrico externo. Por ejemplo, en una molécula de agua eléctricamente neutra (H2O), la disposición de tres átomos es tal que el centro de las cargas positivas de los núcleos atómicos no coincide con el centro de la carga negativa de todos los electrones de la molécula de agua. La carga eléctrica total de la molécula es igual a cero, pero forma, por así decirlo, una mancuerna con cargas de signos opuestos en los extremos. Este sistema de dos cargas, iguales en magnitud pero de signo opuesto, se denomina dipolo eléctrico.
Momento dipolar eléctrico
Todo dipolo eléctrico tiene un momento dipolar. La longitud de un dipolo es la distancia entre sus cargas positiva y negativa. El momento dipolar eléctrico se representa como un vector dirigido desde la carga negativa del dipolo hacia la carga positiva.
En química, el vector que representa un momento dipolar tiene una dirección opuesta: dirigido de la carga positiva a la carga negativa.
El momento dipolar eléctrico nos permite describir el efecto de un dipolo a cierta distancia, indicándonos la intensidad del campo eléctrico que se producirá.
Fórmula del momento dipolar eléctrico
La ecuación utilizada para calcular el momento dipolar eléctrico es
$$\overset\rightharpoonup p=q\overset\rightharpoonup d$$
donde \(p\) es el momento de dipolo eléctrico en culombios-metro \((\mathrm{C m})\), \(q\) es cualquiera de las cargas (positiva o negativa) en culombios \(\mathrm{C}\), y \(d\) es el vector de desplazamiento que apunta desde la carga negativa a la carga positiva en metros \((\mathrm{C m})\). Podemos utilizar cualquiera de las cargas porque el momento dipolar eléctrico representa la polaridad global del sistema. En otras palabras, sólo depende de la magnitud de la carga puntual y no del signo. Apliquemos la ecuación mencionada a un problema de ejemplo para poner a prueba nuestros conocimientos.
Dos cargas puntuales \ (+6\; \mathrm{C}\) y \ (-6\;\mathrm{C}\) están separadas por una distancia de \(10\;\mathrm{cm}\). ¿Cuál es el momento dipolar eléctrico de este sistema?
Como ya se ha dicho, las cargas de un dipolo eléctrico son de igual magnitud y signo opuesto, por lo que en este caso para el valor de \ (q\) utilizamos \ (6\;\mathrm{C}\). Ahora simplemente introducimos este valor y la distancia en unidades del SI \((0,1;\\mathrm{m})\) en la ecuación del momento dipolar eléctrico, de la siguiente manera
p=q=6;\mathrm{C}por0,1;\mathrm{m} = 0,6;\mathrm{Cm}$$
La magnitud de este momento dipolar es \ (0,6;\mathrm{Cm}), y la dirección va de la carga negativa \((-6;\mathrm{C})\) a la carga positiva \((+6;\mathrm{C})\$).
Cuidado, el momento lineal y el momento dipolar eléctrico tienen el mismo símbolo \(p\), ¡pero representan conceptos totalmente distintos!
Potencial eléctrico dipolar
Antes de comprender qué es el potencial eléctrico dipolar, conviene recordar qué es el potencial eléctrico en general. La ecuación utilizada para calcular el potencial eléctrico de un sistema formado por una carga puntual \(q\) a una distancia \(r\) es $$V=k\frac qr,$$ donde \(k\) es la misma constante de Coulomb de la que hemos hablado antes.
Podemos utilizar esta relación para hallar el potencial eléctrico dipolar de dos partículas cargadas en un punto P. Visualmente, puede representarse como el diagrama que aparece a continuación.
Representación esquemática de cómo hallar el potencial eléctrico dipolar en un punto P entre dos cargas puntuales, StudySmarter Originals
Para hallar el potencial eléctrico dipolar, debemos considerar cada carga individual y sumarlas. $$V=V_++V_-=k\left[\frac q{r_+}+\frac{(-q)}{r_-}\right]$$ $$V=\frac q{4\pi\varepsilon_0}\left[\frac1{r_+}-\frac1{r_-}\right]=\frac q{4\pi\varepsilon_0}\left[\frac{r_--r_+}{r_+r_-}\right].$$ Suponiendo que el punto arbitrario P esté situado realmente lejos del dipolo, los valores de \(r_+\) y \ (r_-\) se fijan iguales. Uniendo el centro del dipolo y el punto P, obtenemos el vector de posición \(r\). Se puede utilizar la ley del coseno para deducir la expresión de \(r_-\;}-\(r_+\)), obteniendo la siguiente ecuación: $$V=\frac q{4\pi\varepsilon_0}\left[\frac{d\cos\theta}{r^2}\right].$$ Ahora podemos reescribir el producto de \ (q\) y \(d\) como \(p\) y como (momento dipolar eléctrico), basándonos en la definición mencionada anteriormente, y obtener la expresión final para el potencial dipolar eléctrico en el punto P: $$V=\frac1{4\pi\varepsilon_0}\frac{p\cos\theta}{r^2}.$$
Dipolo eléctrico - Puntos clave
- Lassustancias que apenas tienen portadores de carga libres se conocen comodieléctricos .
- Cuando un dieléctrico no polar se coloca en un campo eléctrico distinto de cero, se forma un dipolo eléctrico.
- Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos partículas de igual tamaño y cargas opuestas, separadas por una pequeña distancia.
- Si se coloca un dipolo eléctrico en un campo eléctrico, las líneas curvas del campo eléctrico se expanden desde la carga positiva hacia la carga negativa.
- La ecuación utilizada para calcular el momento dipolar eléctrico es \(p=qd\).
- El momento dipolar eléctricoes una cantidad vectorial dirigida desde la carga negativa del dipolo hacia la positiva.
- Para hallar el potencial eléctrico dipolar en un punto determinado, hay que considerar cada carga individual y sumarlas mediante la ecuación general del potencial eléctrico \(V=k\frac{q}{r}.\)
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