Introducción
La polarización dieléctrica es el término dado para describir el comportamiento de un material cuando se aplica un campo eléctrico externo sobre él. Se puede hacer una imagen simple usando un condensador como ejemplo. La siguiente figura muestra un ejemplo de un material dieléctrico entre dos placas conductoras paralelas. Las cargas en el material tendrán una respuesta al campo eléctrico causado por las placas.
Utilizando el modelo de condensador, es posible definir la permitividad relativa o la constante dieléctrica del material estableciendo su permitividad relativa equivalente a la relación entre la capacitancia medida y la capacitancia de un condensador de prueba, que también es igual a la permitividad absoluta del material dividida por la permitividad del vacío.
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La constante dieléctrica es un término importante, porque otro término conocido como polarizabilidad electrónica o \(\alfa_e\) puede estar relacionado con la constante dieléctrica. La polarizabilidad electrónica es un fenómeno de polarización microscópica que ocurre en todos los materiales y es uno de los principales mecanismos que impulsa la polarización dieléctrica.
Para explicar cómo la constante dieléctrica se relaciona con la polarizabilidad electrónica de un material, se debe determinar la polarización o P de un material. La polarización de un material se define como el momento dipolar total por unidad de volumen, y su ecuación es
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donde el término \(\chi\) se conoce como la susceptibilidad eléctrica del material dada por la ecuación \(\chi = \epsilon_r – 1\). Luego, al sustituir \(\epsilon_r – 1\) por \(\chi\), se determina una ecuación que relaciona la permitividad relativa y la polarizabilidad electrónica. \ Donde N es el número de moléculas por unidad de volumen.
Mientras que esta ecuación relaciona la constante dieléctrica con la polarizabilidad electrónica, solo representa el material como un todo, y no toma en efecto el campo local, o el campo experimentado por una molécula en un dieléctrico. Este campo se conoce como el campo de Lorentz, y la ecuación para definirlo se da como,
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y sustituyendo este valor por el campo utilizado en el método anterior, se determina la siguiente ecuación
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Esta ecuación se conoce como la ecuación de Clausius-Mossotti y es la forma de intercambiar entre la propiedad microscópica de la permitividad electrónica y la constante dieléctrica. Además de conocer la polarizabilidad electrónica de un material, también hay otros sub-factores, como la composición química y el tipo de enlace que determinan el comportamiento dieléctrico total de un material. Sin embargo, la polarización electrónica es siempre inherente a un material dieléctrico.
