Electromagnetismo

Campo eléctrico

La ley de Coulomb

El motor de Franklin

Campo y potencial de
una carga puntual

Campo y potencial
de dos cargas

Dipolo eléctrico

Línea de cargas.
Ley de Gauss.

Modelo atómico de
Kelvin-Thomson

La cubeta de Faraday.
Conductores

Generador de
Van de Graaf

Carga inducida en un
conductor

Esfera conductora en un
campo uniforme

Un péndulo que descarga
un condensador.

Condensador plano-
paralelo

Condensador cilíndrico

Condensador con un
  dieléctrico.

Fuerza sobre un 
dieléctrico

Carga y descarga de un
condensador

Teoría molecular de las cargas inducidas

Efecto del dieléctrico en un condensador

La mayor parte de los condensadores llevan entre sus láminas una sustancia no conductora o dieléctrica. Un condensador típico está formado por láminas metálicas enrolladas y entre las placas como separador se pone papel impregnado en cera. El condensador resultante se envuelve en una funda de plástico. Su capacidad es de algunos microfaradios.

El condensador más primitivo es la botella de Leyden, construida pegando una hoja metálica en las superficies interior y exterior de una botella de vidrio.

Los condensadores electrolíticos utilizan como dieléctrico una capa delgada de óxido no conductor entre una lámina metálica y una disolución conductora. Los condensadores electrolíticos de dimensiones relativamente pequeñas pueden tener una capacidad de 100 a 1000 mF.

La función de un dieléctrico sólido colocado entre las láminas es triple:

• Resuelve el problema mecánico de mantener dos grandes láminas metálicas a distancia muy pequeña sin contacto alguno.
• Consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin romperse (sin que salte una chispa entre las placas).
• La capacidad de un condensador de dimensiones dadas es varias veces mayor con dieléctrico que separe sus láminas que si estas estuviesen en el vacío.

Sea un condensador plano-paralelo cuyas láminas hemos cargado con cargas +Q y –Q, iguales y opuestas. Si entre las placas se ha hecho el vacío y se mide una diferencia de potencial V₀, su capacidad será

Si introducimos un dieléctrico se observa que la diferencia de potencial disminuye hasta un valor V.  La capacidad del condensador con dieléctrico será

donde k se denomina permitividad relativa o coeficiente dieléctrico

La energía del condensador con dieléctrico es

la energía de un condensador con dieléctrico disminuye respecto de la del mismo condensador vacío.

Fuente: Manual de física elemental, Koshkin, Shirkévich, Edt. Mir, págs 124-125

La disminución de la diferencia de potencial que experimenta el condensador cuando se introduce el dieléctrico puede explicarse en términos cualitativos del siguiente modo.

Las moléculas de un dieléctrico pueden clasificarse en polares y no polares. Las moléculas como H₂, N₂, O₂, etc. son no polares. Las moléculas son simétricas y el centro de distribución de las cargas positivas coincide con el de las negativas. Por el contrario, las moléculas N₂O y H₂O no son simétricas y los centros de distribución de carga no coinciden.

Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas de una molécula no polar llegan a desplazarse como se indica en la figura, las cargas positivas experimentan una fuerza en el sentido del campo y las negativas en sentido contrario al campo. La separación de equilibrio se establece cuando la fuerza eléctrica se compensa con la fuerza recuperadora (como si un muelle uniese los dos tipos de cargas). Este tipo de dipolos formados a partir de moléculas no polares se denominan dipolos inducidos.

Si un dieléctrico se compone de moléculas polares o dipolos permanentes estos están orientados al azar cuando no existe campo eléctrico, como se indica en la figura de la derecha. Bajo la acción de un campo eléctrico, se produce cierto grado de orientación y cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es el número de dipolos que se orientan en la dirección del campo.

Sean o no polares las moléculas de un dieléctrico, el efecto neto de un campo exterior se encuentra representado en la figura inferior. Al lado de la placa positiva del condensador, tenemos carga inducida negativa y al lado de la placa negativa del condensador, tenemos carga inducida positiva.

Como vemos en la parte derecha de la figura, debido a la presencia de las cargas inducidas el campo eléctrico entre las placas de un condensador con dieléctrico E es menor que si estuviese vacío E₀. Algunas de las líneas de campo que abandonan la placa positiva penetran en el dieléctrico y llegan a la placa negativa, otras terminan en las cargas inducidas. El campo y la diferencia de potencial disminuyen en proporción inversa a su permitividad relativa k.

E=E₀/k

Supongamos que tenemos dos condensadores iguales cargados con la misma carga q₁, en paralelo. Si introducimos un dieléctrico de constante dieléctrica k en uno de los condensadores. La capacidad del condensador con dieléctrico aumenta, la diferencia de potencial entre sus placas disminuye.

Al unir las placas del mismo signo de los dos condensadores, la carga se repartirá hasta que se igualen de nuevo sus potenciales

De este sistema de ecuaciones podemos despejar q₁’ y q₂’. En la figura se muestra la analogía hidráulica.