POLARIZACION POR ORIENTACION

Todos los átomos o moléculas adquieren un cierto momento dipolar (momento inducido) bajo la acción de un campo externo. Su origen se encuentra en la deformación de la distribución electrónica provocada por dicho campo. En casos simples, el momento inducido es proporcional a la intensidad del campo aplicado.

A la constante de proporcionalidad se le denomina polarizabilidad por distorsión a _d, y para átomos con simetría esférica puede expresarse como

siendo r_a el radio atómico. La polarizabilidad se mide en Fm².

Este tipo de polarización por distorsión aparece en todos los materiales. Sin embargo un caso especialmente importante lo constituye el proceso de polarización de una material formado por átomos o moléculas polares cuyos momentos dipolares permanentes pueden girar bajo la acción de un campo exterior. Este mecanismo se denomina polarización por orientación y tiene su origen por tanto en el efecto orientador que sobre moléculas polares ejerce un campo eléctrico aplicado.

Consideremos, por ejemplo, un gas polar formado por átomos o moléculas que presentan momento dipolar permanente. En equilibrio térmico las moléculas están orientadas al azar por lo que valor medio del momento dipolar en cualquier volumen en el gas es nulo. La agitación térmica se opone a que exista una orientación privilegiada. La aplicación de un campo modifica esta situación, ya que los dipolos (y por tanto las moléculas) tenderán a orientarse en la dirección del campo hacia posiciones de energía potencial mínima. Simultáneamente la agitación térmica se opone a este ordenamiento. Así, después de un cierto tiempo se alcanzará una nueva situación de equilibrio en la cual en cualquier instante existirá un mayor número de dipolos orientados en direcciones próximas a la del campo. Se induce pues una dirección más favorable, y por lo tanto el valor medio del momento dipolar por unidad de volumen (polarización) deja de ser nulo.

Es claro que en este caso la temperatura juega un papel decisivo. De hecho la polarización media en el material surge de la competencia entre el efecto orientador del campo y desorientador de la agitación térmica. El primer efecto pone en juego una energía del orden de pE, mientras que para el segundo es del orden de k_BT. Para los campos usuales y un amplio rango de temperaturas k_BT >> pE . En este caso la polarizabilidad por orientación viene dada por

siendo p el momento dipolar de las moléculas, k_B la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta. Esta expresión se denomina ecuación de Langevin-Debye y tiene gran importancia en la interpretación de estructuras moleculares.

De esta forma, y considerando la contribución de distorsión, la polarización en el medio viene dada por :

siendo E_local el denominado campo local cuyo significado se discute en el siguiente apartado.