Autor de Applet: Curso Física por Ordenador del autor: Profesor Ángel Franco García, de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Eibar,  España. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

Introducción

Existen dos tipos de moléculas las moléculas polares y las moléculas no polares. Las moléculas polares son aquellas en las que el centro de distribución de cargas positivas y el de las negativas no coincide, el ejemplo más significativo es el agua. Los iones hidrógeno no están alineados y dispuestos simétricamente a uno y otro lado del ión oxígeno, sino que tienen una disposición triangular.

Las moléculas no polares son aquellas en las que coincide el centro de distribución de las cargas positivas y negativas. Las moléculas de oxígeno, nitrógeno, compuestas por dos átomos iguales pertenecen a esta categoría.

Las moléculas polares bajo la acción de un campo eléctrico experimentan un par de fuerzas que tienden a orientarlas en el sentido del campo. Las moléculas no polares, se hacen polares en presencia de un campo eléctrico, ya que las fuerzas sobre cada tipo de carga son iguales y de sentido contrario.

Los dieléctricos se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. La permitividad dieléctrica es la propiedad que describe el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico y permite explicar, tanto el aumento de la capacidad de un condensador como el índice de refracción de un material transparente.

En este programa interactivo, experimentaremos con un modelo de sustancia dieléctrica consistente en un número pequeño, pero suficiente de moléculas. Distinguiremos entre el comportamiento individual de cada molécula, y el comportamiento de la muestra en su conjunto. Veremos como este comportamiento se ajusta a la denominada ley de Langevin, deducida para un número muy grande de moléculas.

Descripción de un dipolo eléctrico

Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos cargas iguales y de signo contrario, separadas una distancia d. Se define el momento dipolar p, como un vector cuyo módulo es el producto de la carga por la separación entre cargas, de dirección la recta que las une, y de sentido de la negativa a la positiva.

Sobre un dipolo situado en un campo eléctrico actúa un par fuerzas cuyo momento tiende a orientar al dipolo en la dirección del campo. Sin embargo, esta tendencia está contrarrestada por la agitación térmica de las moléculas. Para cada campo y cada temperatura, tendremos una orientación media resultado del compromiso entre ambas tendencias contrapuestas.

La energía de un dipolo en un campo eléctrico E es U=p·E=pEcosq 

La polarización de la sustancia es P=Np<cos q>, donde N es el número de moléculas y p<cos q> es el valor medio de la componente del momento dipolar en la dirección del campo. De acuerdo con la fórmula de la estadística clásica

donde exp(-U/kT) es la probabilidad de que un dipolo esté orientado según un ángulo sólido comprendido entre W y W+dW. Es decir, dW=2π·senθ·dθ.La integración conduce a la siguiente función conocida como ley de Langevin

Casos particulares:

• Cuando u<<<1 la polarización P se puede aproximar a la función

La polarización es una función lineal del cociente campo/temperatura. Esta fórmula es análoga a la ley de Curie para los materiales paramagnéticos

• Cuando u>>>1, es decir, para grandes valores del campo o bajas temperaturas,

P=Np

P tiende hacia un valor constante que es su valor máximo.