Modelo Molecular de la Carga Inducida

En publicaciones anteriores tocamos el tema de las cargas superficiales inducidas en un dieléctrico que se encuentra en un campo eléctrico. En esta ocasión hablaremos del modelo molecular de la carga inducida.

Antes de comenzar, es oportuno hacernos una pregunta ¿Cómo surgen las cargas superficiales? Pues si se trata de un material conductor, la respuesta es muy sencilla; puesto que los conductores contienen carga que se traslada libremente y, cuando está presente un campo eléctrico, parte de la carga se redistribuye en la superficie a fin de que no haya un campo eléctrico en el interior del conductor. Pero cuando el caso es un dieléctrico ideal, éste no posee cargas con libertad de movimiento, de modo que, ¿Cómo puede surgir una carga superficial?

Para responder ésta pregunta y comprender bien lo que sucede, es necesario examinar de nuevo la reorganización de la carga en el nivel molecular. Ciertas moléculas, como H20 y N20, tienen cantidades iguales de carga positiva y negativa pero una distribución desigual, con un exceso de carga positiva concentrado en un lado de la molécula y carga negativa en el otro. Como ya lo habíamos mencionado cuando hablamos de campo eléctrico, una configuración de este tipo recibe el nombre de dipolo eléctrico y la molécula se describe como una molécula polar. Cuando no está presente un campo eléctrico en un gas o liquido con moléculas polares, las moléculas están orientadas al azar como lo podemos observar en el diagrama a continuación.

Sin embargo, cuando se colocan en un campo eléctrico tienden a orientarse, esto como resultado de los momentos de torsión de campo eléctrico, esto debido a la agitación térmica, pero dicha alineación de moléculas con E no ocurre de manera perfecta.

Ahora bien, cuando una molécula que ordinariamente no es polar se vuelve un dipolo cuando es colocada en un campo eléctrico porque el campo empuja las cargas positivas de las moléculas en la dirección del campo y empuja las cargas negativas en dirección opuesta. Esto provoca una redistribución de carga dentro de la molécula, estos dipolos se conocen como dipolos inducidos.

Con moléculas ya sea polares o no polares, la redistribución de la carga provocada por el campo da lugar a la formación de una capa de carga en cada superficie del material dieléctrico. Dichas capas son las cargas superficiales, su densidad de carga superficial se denota como σᵢ. Estas cargas no tienen libertad de trasladarse indefinidamente, como sería el caso en un conductor, porque cada carga está unida a una molécula; de hecho, se les llama cargas ligadas para distinguirlas de las cargas libres que se agregan o se quitan a las placas conductoras del capacitor. En el interior del material la carga neta por unidad de volumen sigue siendo cero; y como hemos visto anteriormente, ésta redistribución de carga se llama polarización, y se dice que el material está polarizado.

Si observamos las imágenes que se presentan a continuación podemos detallar el comportamiento de una placa de dieléctrico cuando se inserta en el campo entre un par de placas de capacitor con cargas opuestas. La primera imagen muestra el campo original; la segunda imagen es la situación cuando se ha insertado el dieléctrico pero aún no se han reorganizado las cargas; la tercera imagen muestra mediante flechas más finas el campo adicional establecido en el dieléctrico por sus cargas superficiales inducidas. Este campo es opuesto al campo original, pero no es lo suficientemente grande para cancelar el campo original en su totalidad porque las cargas del dieléctrico no tienen libertad de trasladarse indefinidamente. La magnitud del campo resultante en el dieléctrico de la cuarta imagen en consecuencia disminuye. En la representación de las líneas de campo, algunas de las que parten de la placa positiva atraviesan el dieléctrico, en tanto que otras terminan en las cargas inducidas en las caras del dieléctrico.

Como habiamos mencionado anteriormente la polarización es también la razón por la que un cuerpo con carga, como una barra de plástico electrificada, ejerce una fuerza sobre un cuerpo sin carga como un pedacito de papel o una bolita de médula.

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