Fisica General Burbano

432 EL CAMPO ELÉCTRICO EN LA MATERIA
Fig. XIX-31.– Representación del
átomo de hidrógeno. El sombreado
simboliza la densidad de carga.
Fig. XIX-32.– Al introducir un átomo
de hidrógeno en el interior de un
campo eléctrico, la nube de carga negativa
se desplaza en sentido contrario
a E ; cuando alcanza el equilibrio,
→
el centro de gravedad de las cargas
positivas y negativas se ha separado
y el átomo poseerá un determinado
momento dipolar.
Fig. XIX-33.– Estructura polar de la
molécula de agua.
nube, que en realidad sería tridimensional, presenta zonas más densas que otras, correspondiendo
los lugares más densos a zonas donde con más probabilidad podemos encontrar el electrón.
Para procesos que duran tiempos mayores que el que necesitamos para hacer una «fotografía»
nítida de la posición del electrón-núcleo en un instante determinado, podemos considerar al núcleo
del átomo de hidrógeno como una carga puntual y a la corteza como una distribución continua
de carga negativa que se extiende en el espacio tridimensional con densidad constantemente
decreciente (Fig. XIX-31) y que para el átomo de hidrógeno tomará el valor e.
Como la nube es difusa y no tiene límites definidos, se define entonces ORBITAL ATÓMICO como
la zona del espacio que encierra un determinado tanto por ciento de probabilidad de encontrar al
electrón.
Para este modelo de átomo de hidrógeno, y para tiempos mayores que el indicado, el valor
promedio del momento dipolar también es nulo para todo su orbital.
Si se sumerge al átomo de hidrógeno dentro de un campo eléctrico, se distorsonará la «nube
de carga» negativa (Fig. XIX-32), y el átomo tendrá un momento dipolar ya que el «centro de gravedad»
de las cargas positivas y negativas ya no coincide; decimos que el campo eléctrico ha inducido
un momento dipolar al átomo.
Para otros átomos adoptamos una representación similar, variando la forma y el tamaño de las
orbitales; debido a su simetría esférica, todos los átomos carecen de momento dipolar permanente
(siempre coinciden el centro de gravedad de las cargas positivas y negativas) y en presencia de un
campo eléctrico, en la mayoría de los casos y para determinados valores del campo eléctrico E, se
puede suponer que tienen un momento dipolar p en la misma dirección que E, pudiéndose escribir:
p = a E, en la que a es una constante característica de cada átomo, llamada POLARIZABILIDAD
ATÓMICA.
Análogamente a lo que ocurre en el átomo, sucede con las moléculas, tendrán unas cargas positivas
correspondientes a los núcleos de los átomos que las forman, rodeados de una nube
electrónica; sin embargo las moléculas, en general, no tienen por qué ser simétricas, pudiendo en
su estado normal, poseer un momento dipolar aun en ausencia de campo eléctrico.
«Se dice que una molécula es POLAR cuando el centro de gravedad del sistema de electrones
no coincide con el de los núcleos positivos».
Las moléculas son entonces verdaderos dipolos, no por esto dejan de ser neutras. Un ejemplo
de molécula polar es la del agua representada en la (Fig. XIX-33). El momento dipolar de esta
molécula es la suma vectorial de momentos dipolares formados por el átomo de oxígeno y el de
hidrógeno.
«Una molécula es NO POLAR cuando el centro de gravedad del sistema de electrones coincide
con el de los núcleos positivos».
Un ejemplo de molécula apolar es la del dióxido de carbono, pues su estructura es del tipo de
la Fig. XIX-34.
En las moléculas, en general, la distorsión de la nube electrónica no será la misma en todas las
direcciones; así por ejemplo, la molécula de CO 2
, se polarizará más fácilmente en la dirección paralela
a su eje longitudinal que en cualquier otra dirección; esto hace que el momento dipolar inducido
p no tenga la misma dirección que el campo aplicado E, no pudiéndose hablar de una
constante de polarizabilidad como en los átomos; la relación entre p y E, tendrá que ser a través
de un tensor: p = [a] E, en donde [a] es el llamado TENSOR DE POLARIZABILIDAD.
XIX – 21. Polarización de un dieléctrico
En un material dieléctrico formado por moléculas polares o dipolos permanentes, la distribución
al azar hace que no se produzca efecto eléctrico alguno (Fig. XIX-35 a), pero si se somete a
un campo eléctrico, los diminutos dipolos moleculares se orientan como se ha expresado en el párrafo
XIX-19, anulándose las acciones de los polos opuestos en el interior del dieléctrico pero apareciendo
en la superficie de la cara por la que entran o salen las líneas de fuerza del campo eléctrico
una densidad superficial de carga negativa o positiva (Fig. XIX-35b).
Cuando un dieléctrico es no polar, está constituido por átomos (elemento químico) o moléculas
no polares; si se le somete a un campo eléctrico, los átomos o moléculas adquieren un momento
dipolar inducido, y se orientarán en la dirección del campo, alineándose como se indica en la
Fig. XIX-36, dado como resultado la aparición de densidades superficiales de carga, análogas a las
del caso anterior.
Al fenómeno de aparición de carga en la superficie de los dieléctricos por estar en presencia
de un campo eléctrico se le llama «POLARIZACIÓN DE UN DIELÉCTRICO».
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Fig. XIX-34.– La molécula de CO 2
no es polar.
La polarización hace que aparezcan cargas netas positivas y negativas en los lados opuestos de
una porción de materia dieléctrica, convirtiéndose en un gran dipolo que tiende a moverse en la
dirección en que el campo aumenta, como hemos visto en el párrafo 19 de este capítulo. Esto ex-