INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD MADERO

MÉTODOS ELÉCTRICOS I

GCM 10202-2-4

4523 B 15:00-16:00 L-M-X-J

ING. MIGUEL MARTINEZ FLORES

INTEGRANTES:FRIDA CÁRDENAS TORRES

JOSÉ ALFREDO RIVERA HERRERA PAOLA ITZEL HERNÁNDEZ BOCANEGRA

POLARIZACIÓNEl electromagnetismo clásico define la polarización eléctrica como el campo vectorial que representa la densidad de los momentos eléctricos dipolares inducidos o permanentes en un material dieléctrico. Cabe mencionar que este concepto también se conoce con el nombre de densidad de polarización o sencillamente como polarización. Se trata de uno de los tres campos eléctricos macroscópicos que proporcionan una descripción del comportamiento de los materiales, complementando al desplazamiento eléctrico D y al campo eléctrico E.

Polarización Eléctrica:

La Polarización Eléctrica (También Llamada Densidad De Polarización O Simplemente Polarización) Es El Campo Vectorial Que Expresa La Densidad De Los Momentos Eléctricos Dipolares Permanentes O Inducidos En Un Material Dieléctrico. El Vector De Polarización P Se Define Como El Momento Dipolar Por Unidad De Volumen. La Unidad De Medida Es Coulomb Por Metro Cuadrado.

La Polarización Eléctrica Es Uno De Los Tres Campos Eléctricos Macroscópicos Que Describen El Comportamiento De Los Materiales. Los Otros Dos Son El Campo Eléctrico E Y El Desplazamiento Eléctrico D.

EL FENÓMENO DE LA POLARIZACIÓN

La inducción no se limita a los conductores, cuando acercamos una barra cargada a un aislante no hay electrones libres que puedan desplazarse por el material aislante; lo que ocurre en un reordenamiento de las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas.Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente mas positivo o negativo que el lado opuesto por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado . Si, por ejemplo , la barra es negativa, entonces el lado positivo del átomo o molécula se orienta hacia la barra y el lado negativo queda orientado en un sentido contrario. Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared.Cuando situamos un objeto material en un campo eléctrico se comporta según sea un conductor o un dieléctrico. El conductor redistribuye sus cargas. En un dieléctrico las cargas no pueden moverse libremente y, por tanto, su comportamiento es distinto. Los dieléctricos pueden considerarse formados por dos tipos de moléculas: polares y no polares.

•  Las Moléculas (Dipolos) Están Distribuidas Al Azar  (A)•   Al Acercar A Este Dieléctrico Un Cuerpo Electrizado  (Por Ejemplo, Con Carga 

Positiva),  La  Carga  De  Este  Último  Actuará  Sobre  Las Moléculas  Del  Aislante, Haciendo Que Se Orienten Y Alineen En La Forma Indicada. (B)

• Cuando Esto Sucede, Se Dice Que El Dieléctrico Está Polarizado.

Como Ocurre La Polarización:

Si  la molécula  es  no  polar,  es  decir,  si  el  centro  del  sistema  de  electrones coincide  con  el  de  los  núcleos  positivos,  el  dieléctrico  es,  en  todos  sus puntos, eléctricamente neutro. Bajo la acción de un campo eléctrico externo, los centros de  los sistemas citados se separan y se crean dipolos  inducidos, alineados con el campo eléctrico externo.

Macroscópicamente, en un dieléctrico se produce el fenómeno conjugado de alineamiento  e  inducción,  separándose  ligeramente  el  centro  de  las  cargas positivas de todo el dieléctrico con respecto al centro de las cargas negativas. El  dieléctrico  en  su  conjunto  permanece  eléctricamente  neutro  pero  se polariza, es decir, se acumula carga positiva a un lado y negativa en el otro.

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 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 dieléctrico aislante éste se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de éste.

Polarización de un material dieléctrico o aislante

Influencia de un campo eléctrico en un dieléctrico tipo polar

Las  moléculas  de  algunos dieléctricos tienen  la  propiedad  de  que  la  distribución interna de sus cargas no es simétrica.En estos casos la parte positiva y negativa de cada molécula están separadas una de otra.Si al dieléctrico se le aplica un campo eléctrico, estas moléculas llamadas dipolos, no se desplazan como lo hacen lo electrones en lo metales, sino que se orientan según el campo aplicado.Con  esta  situación  se  dice  que  el  dieléctrico  ha  sido  polarizado.  Cuando  el  campo eléctrico desaparece, las moléculas vuelven a su estado original.

Tipos de Polarización

Hay varios mecanismos de polarización de los dieléctricos a saber:

• Polarización electrónica,   que  consiste  en  un  desplazamiento relativo de la nube de electrones con relación al núcleo atómico.

• Polarización iónica o atómica,  que  consiste  en  un desplazamiento  relativo  de  los  átomos  que  constituyen  la molécula.

• Polarización por orientación,  que  consiste  en  una  orientación de las moléculas polares bajo la acción del campo aplicado.

• Polarización por carga de espacio, que es debida a cargas que pueden migrar ciertas distancias dentro del material.

La polarización electrónica tiene  lugar  en  los  átomos,  iones  o  moléculas;  bajo  la influencia  de  un  campo  eléctrico  aplicado,  se  produce  un  desplazamiento  de  la  nube electrónica de cada átomo, de modo que el centro de gravedad de las cargas negativas se  desplaza  una  distancia  d  del  núcleo  positivo.  Este  desplazamiento  provoca  la formación de dipolos (dipolos inducidos), y la polarización del átomo.

La polarización iónica o atómica se presenta en sustancias iónicas con moléculas polares o no polares,  las que, como consecuencia del carácter (iónico o covalente) de la unión, tienen  átomos  con  excesos  de  cargas  positivas  o  negativas  (iones)  que  se  desplazan solicitados por el campo exterior.

La polarización por orientación se  produce  solamente  en  las sustancias  cuyas  moléculas  son  polares,  es  decir  que  contienen dipolos  aún  sin  la  presencia  de  campo  eléctrico  exterior.  Estos dipolos normalmente distribuidos al azar se orientan en presencia de  un  campo  exterior,  con  la  consiguiente  polarización  de  la sustancia.

El resultado neto de la polarización, es la producción de una capa de cargas positivas sobre una de las caras y una capa de cargas negativas sobre la otra cara. El fenómeno de la polarización puede visualizarse como una serie de dipolos orientados bajo la influencia del campo aplicado y formando contracargas en sus extremos opuestos.

Constante Dieléctrica Relativa

En 1837 Faraday demostró que si se  llena completamente el espacio comprendido entre dos  placas  de  un  capacitor  con  un  dieléctrico,  la  capacidad  del  capacitor  queda multiplicada por un factor k mayor que la unidad. Este factor es el llamado poder inductor específico o constante dieléctrica relativa (al vacío) εr y es independiente de la forma del capacitor, dependiendo exclusivamente del dieléctrico. Al vacío se le asigna el valor εr=1, el aire tiene un εr=1,00059 (se suele despreciar los decimales y considerárselo igual a 1).

Por  definición,  la  constante  dieléctrica  relativa  de  un  medio,  es  la  relación  entre  la capacidad de un capacitor con dicho medio como dieléctrico sobre  la capacidad de otro con el vacío como dieléctrico.

Polarización InducidaLa Polarización Inducida (PI) es un fenómeno eléctrico que se manifiesta en el interior de medios materiales, sean en el dominio del tiempo con tensiones de relajamiento a la interrupción de un flujo de corriente eléctrica energizante, sea en el dominio de la frecuencia  con  una  precisa  ley  de  dispersión  de  la  resistividad  eléctrica  al  variar  la frecuencia de un flujo de corriente alterna energizante.

Es bien conocido que el  fundamento sobre el  cual  se aplica este método se debe a que algunas rocas o depósitos minerales no exhiben un potencial eléctrico propio.

Los métodos de prospección geoeléctrica estudian  el  comportamiento  de corrientes  eléctricas  naturales  e inducidas para determinar  la  resistividad eléctrica  del  subsuelo,  esto  puede  ser aprovechado  para  crear  una  tomografía que puede ser usada para ubicar sulfuros masivos,  minerales,  acuíferos  y  plumas contaminantes,  y  anomalías  asociadas  a la estratigrafía del subsuelo, entre otras.

Un método electromagnético que utiliza electrodos con tensiones y corrientes variables en el tiempo  para  mapear  la  variación  de  la  permitividad  eléctrica  (constante  dieléctrica)  en  el subsuelo,  con  bajas  frecuencias.  La  polarización  inducida  se  observa  cuando  una  corriente estacionaria que atraviesa dos electrodos del subsuelo se interrumpe: la tensión no retorna a cero  en  forma  instantánea  sino  que  decae  lentamente,  lo  que  indica  que  la  carga  ha  sido almacenada  en  las  rocas.  Esta  carga,  que  se  acumula  principalmente  en  las  interfases presentes entre los minerales de arcilla. A menudo se utiliza en la exploración de minerales y a veces permite distinguir diferentes tipos de mineralización. 

AplicacionesCaracterización litológica del subsuelo (Geotécnica, Exploración Minera y Agua).Delimitación de zonas de alteración (hidrotermal, silícea).Detección de zonas mineralizadas (sulfuros).Localización de (sistemas de) fracturas y fallas geológicas.Estudio de acuíferos: profundidad, espesor, propiedades (salinidad).Monitoreo de acuíferos (contaminación).

PIEZOELECTRICIDADLa  piezoelectricidad  (del  griego  piezein,  “estrujar  o  apretar”)  es  un  fenómeno presentado  por  determinados  cristales  que  al  ser  sometidos  a  tensiones mecánicas adquieren  una  polarización  eléctrica  en  su  masa,  apareciendo  una  diferencia  de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo  eléctrico.  El  efecto  piezoeléctrico  es  normalmente  reversible:  al  dejar  de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Los  materiales  piezoeléctricos  son  cristales  naturales  o  sintéticos  que  no  poseen centro  de  simetría.  El  efecto  de  una  compresión  o  de  un  cizallamiento  consiste  en disociar  los  centros  de  gravedad  de  las  cargas  positivas  y  de  las  cargas  negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en  la masa y, por  influencia,  cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de  forma  natural  (cuarzo,  turmalina)  y  los  llamados  ferroeléctricos,  que  presentan propiedades piezoeléctricas  tras  ser  sometidos a una polarización  (tantalio de  litio, nitrato  de  litio,  bernilita  en  forma  de  materiales  monocristalinos  y  cerámicas  o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).El  efecto  piezoeléctrico,  es  un  fenómeno  físico  que  presentan  algunos  cristales debido al  cual,  aparece una diferencia de potencial  eléctrico  (voltaje) entre  ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezo-eléctrico directo. Este  efecto  funciona  también  a  la  inversa: cuando  se  aplica  un  campo  eléctrico  a ciertas  caras  de  una  formación  cristalina, esta  experimenta  distorsiones  mecánicas (efecto piezo-eléctrico inverso). Pierre Curie y  su  hermano  Jacques  descubrieron  este fenómeno en el cuarzo y  la sal de Rochelle en  1880  y  lo  denominaron  'efecto piezoeléctrico'  (del  griego  piezein, 'presionar').