Polarización (dieléctrica)

La polarización (o más exactamente el vector de polarización ) es un vector de cantidad física macroscópica que se utiliza en el estudio de las propiedades dieléctricas de los materiales . Designa la densidad de volumen del momento dipolar electrostático . Su unidad en el Sistema Internacional es C / m 2 . Este concepto fue introducido por Faraday mientras estudiaba el comportamiento de los aislantes eléctricos en campos electrostáticos.

En un dieléctrico perfecto, no hay cargas eléctricas gratuitas. En particular, un campo eléctrico aplicado no provoca una corriente eléctrica . Pero es probable que las cargas eléctricas relacionadas se muevan en distancias pequeñas o vibren bajo la influencia de un campo eléctrico : entonces aparece una polarización.

Tipos

Desde un punto de vista microscópico, varios fenómenos ocurren bajo el efecto de un campo eléctrico:

la polarización electrónica debido al desplazamiento y deformación de la nube de electrones , esta polarización generalmente se establece en un tiempo muy corto (~ 10-15 s ).
el polarizado atómico o iónico debido a desplazamientos de átomos o iones, este último también tiene un tiempo de asentamiento muy corto (~ 10-13 a 10-12 s ).
la orientación polarización (dipolar o - Por): si las moléculas sometidas al campo eléctrico con un momento dipolar permanente, tienden a orientarse en la dirección de este campo. El tiempo de orientación de los dipolos es mucho más largo que en los dos casos anteriores (~ 10 −9 a 10 5 s ) debido a la gran diversidad de los dipolos implicados y su entorno molecular. La polarización de orientación depende en gran medida de la temperatura.
la polarización interfacial (o -π de la carga espacial): esta polarización aparece en materiales heterogéneos. Proviene de la acumulación de cargas eléctricas en las interfaces entre las diferentes fases que constituyen el material cuando estas tienen diferentes permitividades y conductividades. Este mecanismo induce un momento dipolar macroscópico con un tiempo de estabilización prolongado (> 10 3 s ).

Estos fenómenos pueden crear numerosos dipolos electrostáticos microscópicos. La polarización es simplemente la medición del momento dipolo microscópico teniendo en cuenta el volumen microscópico. Si denotamos el momento dipolar microscópico o elemental por y el volumen elemental por $d$ $V$ ( $od$ $τ$ ), tenemos: ${\ Displaystyle d {\ vec {p}}}$

{\ Displaystyle {\ vec {P}} = {\ mathrm {d} {\ vec {p}} \ over \ mathrm {d} V}}

Estas notaciones no se eligen al azar, porque conducen a la ecuación que da el momento dipolar eléctrico de un objeto:

{\ Displaystyle {\ vec {p}} = \ iiint {\ vec {P}} \, \ mathrm {d} V}

Además, vemos la analogía completa con el momento magnético y la magnetización : ${\ vec m}$ ${\ vec M}$

{\ Displaystyle {\ vec {M}} = {\ mathrm {d} {\ vec {m}} \ over \ mathrm {d} V}, \ quad {\ vec {m}} = \ iiint {\ vec { M}} \, \ mathrm {d} V}

Materiales ordenados eléctricamente

En algunos materiales, existe una polarización eléctrica en el estado espontáneo, incluso en ausencia de un campo eléctrico externo. Entonces son posibles diferentes órdenes eléctricos, es decir, diferentes disposiciones de los dipolos electrostáticos en el material. En principio, la situación es similar a la de los materiales ordenados magnéticamente. También de los materiales magnéticos se ha heredado el vocabulario que designa estos diferentes órdenes.

En un material ferroeléctrico , por ejemplo PbTiO 3 , los dipolos electrostáticos en dos mallas vecinas están alineados en la misma dirección.

En un material antiferroeléctrico , por ejemplo PbZrO 3 , los dipolos electrostáticos en dos mallas vecinas están alineados en direcciones opuestas.

Polarización inducida por campo, susceptibilidad eléctrica

En el caso de que la polarización se deba a un campo eléctrico aplicado al material, escribimos en el primer orden que la polarización inducida es simplemente proporcional al campo eléctrico: ${\ vec E}$

{\ Displaystyle {\ vec {P}} = \ varepsilon _ {0} \ chi \, {\ vec {E}}}

donde es la permitividad del vacío y la susceptibilidad eléctrica del material. ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {0} \,}$ $\ chi \,$

Esta relación es correcta y suficiente para un material isotrópico y para un campo eléctrico no demasiado intenso. Ayuda a comprender una gran cantidad de fenómenos, como la refracción , la reflexión y la absorción de la luz. Para los materiales anisotrópicos , la relación debe modificarse para comprender el fenómeno de la birrefringencia .

En el caso de un campo eléctrico intenso, la aproximación anterior ya no es suficiente. Se deben considerar términos de orden superior. Este es el campo de la óptica no lineal .

Notas y referencias

Richard Taillet, Diccionario de física (4a edición) , Louvain-la-Neuve, De Boeck Supérieur,enero 2018, 956 p. ( ISBN 978-2-8073-0744-5 , leer en línea ) , pág. 581

Polarización (dieléctrica)

Tipos

Materiales ordenados eléctricamente

Polarización inducida por campo, susceptibilidad eléctrica

Notas y referencias

Ver también

Artículos relacionados