Densidad de polarización

En el electromagnetismo clásico , la densidad de polarización (o polarización eléctrica , o simplemente polarización ) es el campo vectorial que expresa la densidad de momentos dipolares eléctricos permanentes o inducidos en un material dieléctrico . Cuando un dieléctrico se coloca en un campo eléctrico externo , sus moléculas ganan un momento dipolar eléctrico y se dice que el dieléctrico está polarizado. El momento dipolar eléctrico inducido por unidad de volumen del material dieléctrico se denomina polarización eléctrica del dieléctrico. ^{[1] [2]}

La densidad de polarización también describe cómo responde un material a un campo eléctrico aplicado, así como la forma en que el material cambia el campo eléctrico, y puede usarse para calcular las fuerzas que resultan de esas interacciones. Se puede comparar con la magnetización , que es la medida de la respuesta correspondiente de un material a un campo magnético en el magnetismo . La unidad de medida del SI es culombios por metro cuadrado y la densidad de polarización se representa mediante un vector P . ^[2]

Un campo eléctrico externo que se aplica a un material dieléctrico provoca un desplazamiento de los elementos cargados unidos. Estos son elementos que están unidos a moléculas y no son libres de moverse alrededor del material. Los elementos cargados positivamente se desplazan en la dirección del campo y los elementos cargados negativamente se desplazan en dirección opuesta a la dirección del campo. Las moléculas pueden permanecer con carga neutra, pero se forma un momento dipolar eléctrico. ^{[3] [4]}

Para cierto elemento de volumen en el material, que lleva un momento dipolar , definimos la densidad de polarización P :${\ estilo de visualización \ Delta V}$${\ estilo de visualización \ Delta \ mathbf {p}}$

En general, el momento dipolar cambia de un punto a otro dentro del dieléctrico. Por lo tanto, la densidad de polarización P de un dieléctrico dentro de un volumen infinitesimal d V con un momento dipolar infinitesimal d p es:${\ estilo de visualización \ Delta \ mathbf {p}}$

La carga neta que aparece como resultado de la polarización se denomina carga ligada y se denota como .${\displaystyle Q_{b}}$

Arriba: un volumen elemental d V = d V ₁ + d V ₂ (acotado por el elemento de área d A ) tan pequeño, que el dipolo encerrado por él puede pensarse como el producido por dos cargas elementales opuestas. Abajo, una vista plana (click en la imagen para agrandar).

Líneas de campo del campo D en una esfera dieléctrica con mayor susceptibilidad que su entorno, situada en un campo previamente uniforme. ^[6] Las líneas de campo del campo E no se muestran: apuntan en las mismas direcciones, pero muchas líneas de campo comienzan y terminan en la superficie de la esfera, donde hay carga ligada. Como resultado, la densidad de las líneas del campo E es menor dentro de la esfera que fuera, lo que corresponde al hecho de que el campo E es más débil dentro de la esfera que fuera.

Ejemplo de cómo la densidad de polarización en un cristal a granel es ambigua. (a) Un cristal sólido. (b) Al emparejar las cargas positivas y negativas de cierta manera, el cristal parece tener una polarización ascendente. (c) Al emparejar las cargas de manera diferente, el cristal parece tener una polarización hacia abajo.