Dipolo eléctrico

Dipolo

Potencial de un dipolo

Un dipolo eléctrico es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí.

Los dipolos aparecen en cuerpos aislantes o dieléctricos. A diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un material dieléctrico este se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de éste.

Es el caso de la molécula de agua. Aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica, la molécula de agua se comporta como un dipolo.

Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno. La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.

Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

Momento de un dipolo

Momento dipolar en la molécula de agua

Si una carga eléctrica puntual se encuentra en una región donde hay un campo eléctrico experimenta una fuerza coulombiana.

Un campo eléctrico homogéneo o uniforme es aquél en el cual la magnitud y dirección de ${\vec {E}}$ son las mismas en todos los puntos. En consecuencia, en un campo semejante las líneas de fuerza son paralelas.

(a) Un dipolo eléctrico en un campo externo uniforme. (b) Una vista en perspectiva para visualizar el momento producido.

Campo eléctrico debido a un dipolo

Si se coloca un dipolo en un campo eléctrico $({\vec {E}})$ con las características mencionadas, ambas cargas (+Q y -Q), separadas una distancia 2a, experimentan fuerzas de igual magnitud y de sentido opuesto $({\vec {F}}$ y $-{\vec {F}})$, en consecuencia, la fuerza neta es cero y no hay aceleración lineal (ver figura (a)) pero hay un torque neto respecto al eje que pasa por O cuya magnitud esta dada por: $\tau =2F(a\sin \theta )=2aF\sin \theta \,\!$.

Teniendo en cuenta que $F=qE\,\!$ y $p=(2a)(q)\,\!$, se obtiene: $\tau =2aqE\sin \theta =pE\sin \theta \,\!$ (1).

Así, un dipolo eléctrico sumergido en un campo eléctrico externo ${\vec {E}}$, experimenta un torque que tiende a alinearlo con el campo:

$\tau ={\vec {p}}\times {\vec {E}}\,\!$

Los vectores respectivos se muestran en la figura (b).

Se define el momento dipolar eléctrico $({\vec {p}})$ como una magnitud vectorial con módulo igual al producto de la carga q por la distancia que las separa d, cuya dirección es la recta que las une, y cuyo sentido va de la carga negativa a la positiva:

${\vec {p}}=q\cdot {\vec {d}}$

Para valores suficientemente bajos del módulo del campo eléctrico externo, puede probarse que el momento dipolar es aproximadamente proporcional a aquél. En efecto:

${\vec {p}}=\alpha {\vec {E}}$

Siendo $\alpha$ la polarizabilidad electrónica

Debe hacerse trabajo (positivo o negativo) mediante un agente externo para cambiar la orientación del dipolo en el campo. Este trabajo queda almacenado como energía potencial U en el sistema formado por el dipolo y el dispositivo utilizado para establecer el campo externo.

Si $\theta \,\!$ en la figura (a) tiene el valor inicial ${\theta }_{0}\,\!$, el trabajo requerido para hacer girar el dipolo, está dado por:

$W=\int dW=\int _{{\theta }_{0}}^{\theta }\tau d\theta =U$

Teniendo en cuenta la igualdad (1):

$U=\int _{{\theta }_{0}}^{\theta }pE\sin \theta d\theta =pE\int _{{\theta }_{0}}^{\theta }\sin \theta d\theta =-pE[\cos \theta -\cos {\theta }_{0}]$

Como solo interesan los cambios de energía potencial, se escoge la orientación de referencia ${\theta }_{0}\,\!$ de un valor conveniente, en este caso 90º. Así se obtiene:

$U=-pE\cos \theta \,\!$

lo cual se puede expresar en forma vectorial:

$U=-{\vec {p}}\cdot {\vec {E}}$

Véase también

• Polarización eléctrica
• Interacción dipolo-dipolo
• Fuerzas de Van der Waals

Enlaces externos

• Wikilibros alberga un libro o manual sobre Campo eléctrico generado por una distribución discreta de cargas.