Un material dieléctrico es un material formado por moléculas no polares. Estas moléculas tienen la peculiaridad de que tanto su centro de cargas positivas como el de cargas negativas coinciden. Por tanto, a diferencia de las moléculas polares, cuando las moléculas no polares se juntan entre sí no se forma una nube de electrones libres alrededor del material (aunque en ocasiones sí que se mueven algunos electrones del exterior de los átomos generando una corriente muy pequeña llamada corriente de fuga). Es decir, estos materiales son malos conductores de corriente eléctrica, y son usados en algunos casos como aislantes eléctricos.

1. Polarización

A pesar de que todos los materiales dieléctricos son aislantes, no todos lo aislantes son dieléctricos. Los materiales dieléctricos se caracterizan porque pueden ser polarizados por aplicación de un campo eléctrico externo. Al aplicarle un campo eléctrico a un material dieléctrico, las distintas cargas del dieléctrico reciben la misma fuerza pero en direcciones opuestas, creándose unos dipolos inducidos y generando otro campo eléctrico menor y opuesto al externo. En el caso de algunos dieléctricos, como el agua o el amoniaco, las propias moléculas ya tienen pequeños dipolos eléctricos anteriores al campo eléctrico externo. Por lo tanto, estos pequeños dipolos crean un momento dipolar p⃗. Y el campo eléctrico externo ejerce un par de fuerzas M⃗ sobre estos dipolos. Por ello, estas moléculas dieléctricas se reorientan parcialmente en el sentido del campo eléctrico (solo se orientan totalmente en el sentido del campo eléctrico si este es lo suficientemente fuerte).

p⃗=q l⃗ M⃗= p⃗× E⃗

2. Aplicaciones: Condensadores

Los dieléctricos, son usados mayormente en condensadores. Estos están pensados para almacenar energía eléctrica, mediante el almacenamiento de un campo eléctrico. Los condensadores están compuestos por dos conductores, separados entre sí y con la misma cargar, aunque de signo contrario. Por lo tanto, entre estos dos conductores tenemos una diferencia de potencial y se genera un campo eléctrico del conductor positivamente cargado al negativo.

Los dieléctricos son introducidos en el interior de los condensadores, asegurando así una distancia mínima entre los dos conductores. Tal y como hemos dicho antes, el campo eléctrico generado por la d.d.p. entre los conductores polariza el material dieléctrico. Al mismo tiempo, en el interior del dieléctrico se crea un campo eléctrico opuesto al externo y lo reduce. De modo que la d.d.p. se reduce, el campo eléctrico se reduce y la capacidad del condensador aumenta. Esta relación la podemos observar en las siguientes formulas:

-Capacidad inicial de un condensador (sin dieléctrico): C0=Q0V 0

- Sabemos que con el dieléctrico: V <V 0

-Como no se quitan ni se añaden cargas de los conductores: Q=Q 0

-Entonces, la capacidad con dieléctrico: C=QV

=Q0V

-Por lo tanto: C>C0

Por efecto de la polarización, se ha formado una densidad de carga σ i de signo positivo en un lado y de signo negativo en el otro (justo en el lado contrario que la densidad de carga σ que tienen los conductores del condensador, solo que la de los conductores es formada por las cargas libres y la del dieléctrico por las ligadas). Las cargas ligadas del dieléctrico forman así un campo eléctrico Ei contrapuesto al externo E0, de modo que nos queda un campo eléctrico resultante E.

E=E0−E i

Sabemos además que E0=σ / ε0 y que Ei=σ i /ε 0. Si aparte de estas dos ecuaciones, tenemos en cuenta que con el modulo del vector de desplazamiento eléctrico conseguimos la igualdad D=ε0 E0=εE, tenemos que el campo eléctrico neto podría expresarse como (sabiendo que ε=ε r ε0):

E=E0ε /ε0

=E0εr

= σεr ε0

Y sustituyendo todos estos valores de los distintos campos eléctricos en la ecuación anterior que los relaciona obtenemos que:

σεr ε 0

= σε0

−σ iε0

❑⇒σ i=( εr−1εr )σ

Dado que ε r>1, queda demostrado que la densidad de cargas ligadas del dieléctrico será menor que la densidad de cargas libres de las placas del condensador.

3. PropiedadesConstante dieléctrica:

Pero no todos los dieléctricos aumentan de la misma manera la capacidad del condensador. El aumento de la capacidad viene dado por la constante dieléctrica ε r del material dieléctrico. Cada material tiene su propia constante dieléctrica, la cual, multiplicada por la permitividad del vacío ε 0 nos da la permitividad de dicho material ε . La nueva capacidad es el producto de la constante dieléctrica y la capacidad del condensador en vacio (sin dieléctrico en su interior).

ε=ε r ∙ ε 0 siendo ε 0≈8,85×10−12

c=εr c0

Rigidez eléctrica:

Del mismo modo en que cada material dieléctrico tiene su propia constante dieléctrica que varia a su modo la nueva capacidad del condensador, cada material también tiene su propia rigidez eléctrica. La cual regula la máxima d.d.p. (y del mismo modo al campo eléctrico

máximo) a la que puede ser expuesta el material antes de convertirse en conductor y destruirse así los condensadores, ya que la carga no quedaría almacenada sino que fluiría de un extremo a otro del condensador sin dificultad alguna.

Vector polarización:

Este vector sirve para definir cuantitativamente la polarización de la material. Tiene la misma dirección que el campo eléctrico E⃗ al que está sometido. Este vector P⃗ es el momento dipolar por volumen que se crea en un dieléctrico cuando es polarizado por un campo eléctrico. Podemos expresarlo como P⃗=n p⃗ si tenemos en cuenta el momento dipolar de cada dipolo del material y el

número de dipolos por unidad de volumen, o como P⃗=d p⃗dV considerando a

un elemento de volumen dieléctrico como un solo dipolo. En condensadores planos, tiene la propiedad de ser igual a la densidad de cargar ligadas:

P=q i l

Sl=qiS

=σ i

En caso de que el campo eléctrico no fuese perpendicular al material, el vector polarización tampoco lo seria, y en ese caso la densidad de cargas ligadas seria igual a la normal del vector:

σ i=P cosα=Pn

Susceptibilidad eléctrica:

La susceptibilidad eléctrica representa la respuesta que tiene un material dieléctrico a un campo eléctrico externo. Depende de las moléculas polarizadas del material. Su valor es siempre χ>0, a no ser que el medio en el que este sea el vacio, ya que en ese caso no habría moléculas que se hubiesen polarizado. Se puede utilizar para expresar P⃗ como función lineal de E⃗, que tienen la misma dirección.

P⃗= χ ε0 E⃗

Si consideramos un condensador plano en el que el modulo del vector polarización es igual a la densidad de cargas ligadas, y utilizamos las ecuaciones vistas anteriormente, acabamos obteniendo una relación entre la constante dieléctrica del material y su susceptibilidad eléctrica:

ε r=(1+ χ )

Por lo tanto, conociendo cualquiera de esta tres propiedades del material, ε , ε r o χ , podemos conocer las otras dos, ya que disponemos de ecuaciones que las relacionan directamente.

Vector desplazamiento eléctrico:

El vector desplazamiento eléctrico es igual a la densidad de cargas libres. Teniendo en cuenta la ecuaciones anteriores en las que relacionábamos las dos densidades de carga y el vector polarización con la densidad de cargas ligadas, obtenemos que:

σ=ε 0E+P

Por lo tanto, definimos el vector desplazamiento eléctrico como:

D⃗=ε0 E⃗+ P⃗

De aquí deducimos que este vector tiene misma dirección y orientación que el campo eléctrico y que el vector polarización. De aquí podemos deducir tres cosas:

a) El vector D⃗ tiene su origen en las cargas libres y termina en las cargas libres. Independientemente del medio en el que se encuentre.

b) El vector P⃗ es análogo a D⃗ pero nace y muere en las cargas ligadas.

c) Y finalmente E⃗ es el efecto de los otros dos vectores, nace y muere tanto en las cargas libres como ligadas. Su valor sí que depende del medio.