Hemos establecido que la causa
por la que un dieléctrico acumula carga entre placas es
la polarización o formación de dipolos en su interior
orientados en contra del campo eléctrico exterior. El
dipolo no es mas que una distribución bipolar de cargas
de signo opuesto separadas por una distancia. El dipolo eléctrico
se caracteriza por un momento dipolar r:
(9.6)¿Cómo puede polarizarse
el dieléctrico? Vamos a ver a continuación que
la frecuencia del campo eléctrico activa o desactiva
distintos mecanismos de polarización. Se define la
polarización P como la diferencia de densidad de flujo
eléctrico respecto a la del vacío, expresándose
de acuerdo a la siguiente ecuación:
(9.7)La polarización representa
el momento dipolar total inducido por unidad de volumen, y su
representación frente a la frecuencia nos la da la figura
9.7. La evolución nos indica algo que ya conocíamos,
que la constante dieléctrica, y por tanto la polarización
del material aislante, disminuye con la frecuencia.
Por un lado tenemos que er se mantiene más
o menos constante a intervalos de frecuencia pero disminuyendo
escalonadamente. Por otro, se observa en el entorno de algunas
frecuencias un decaimiento acusado de la constante dieléctrica.Esas disminuciones a frecuencias determinadas están ligadas con la existencia de diferentes mecanismos de polarización que tienen su origen en la estructura electrónica y molecular de la materia.
Cuatro son los mecanismos de polarización
del dieléctrico en presencia del campo eléctrico
externo. El primero es el de polarización electrónica
y consiste en el desplazamiento de las cargas electrónicas
de los átomos.En la figura 9.8 (a) tenemos esquematizado
la aparición de átomos con sus centros de carga,
+ en los núcleos y - para los electrones, separados. El
efecto es pequeño y temporal, es el único
mecanismo posible cuando la frecuencia es muy alta, siendo para
ese caso bajo el valor de la constante dieléctrica.
Si disminuimos la frecuencia,
aparece solapado con el mecanismo electrónico el iónico,
figura 9.8 (b). La polarización iónica se
produce por deformación elástica de los enlaces
y separación de los centros de carga. Este mecanismo
es más importante e intenso en cuanto propicia la
distribución uniforme de carga a todo el material y polariza
los enlaces. Estos están sometidos a un movimiento
oscilación, por lo que esa inducción polarizante
puede llegar a cambios dimensionales. Este mecanismo de polarización
hace que la constante dieléctrica aumente en valor.A menores frecuencias, tenemos
la aparición de un nuevo mecanismo, superpuesto a los
dos anteriores. Se trata del molecular o dipolar y es
muy importante en materiales dipolares. En ellos, y previamente
a la actuación del campo externo, ya existen dipolos permanentes
aunque se cumple el principio de electroneutralidad y por tanto
el momento dipolar total es nulo, figura 9.8 (c). Pues bien,
dicho mecanismo actúa sobre las moléculas
que contienen dipolos haciendo que éstos se reorienten
en la dirección del campo externo. El origen de
esos dipolos previos está en la existencia de grupos moleculares
en los que hay átomos de diferente electronegatividad
unidos por enlaces parcialmente polarizados. De esta manera,
la aparición de este nuevo mecanismo confiere al material,
una mayor constante dieléctrica.Para bajas frecuencias,
en el campo de las señales de potencia, aparece
superpuesto a las anteriores la polarización por
cargas espaciales, debida al desplazamiento macroscópico
y superficial de cargas como consecuencia de defectos, imperfecciones
estructurales, iones e impurezas de pequeño tamaño.
Tal queda esquematizada en la figura 9.8 (d). En ese rango de
frecuencias, la presencia de los cuatro mecanismos otorga al
material una constante dieléctrica mayor aún.La polarización de
un material dieléctrico tiene lugar por cuatro mecanismos
diferentes: electrónico, iónico, molecular y de
carga espacial; cada uno propio de un rango de frecuencias diferente
y característico en cada material.Al aumentar la frecuencia van
desapareciendo cada una de las contribuciones a la polarización
ya que el material no puede polarizarse y orientar los dipolos
por la alta velocidad con que cambia el campo eléctrico.