INFORME-Polarizacion de La Materia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA

ASIGNATURA: FISICA II

DOCENTE: ALAN GUZMAN

TEMA DE PRESENTACIÓN: POLARIZACION DE LA MATERIA

INTEGRANTES: CABANILLAS ESPEJO, Orlando ManuelCERCADO HERRERA, Juan CarlosDIAZ ORTIZ, Gerson Félix AmstrongTERRONES CARRERA, Richard Harold

FECHA DE PRESENTACIÓN: 01 de diciembre del 2014

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Universidad Nacional de CajamarcaFacultad de Ingeniería

Escuela Académico Profesional Ingeniería Geológica

INTRODUCCIÓN

La física es la ciencia que estudia la Naturaleza en su sentido más amplio. La

física es la ciencia básica que estudia el cosmos, es decir, el todo desde el

punto de vista científico. Aunque, aparentemente, la física consiste en buscar o

encontrar una matematización de la realidad observable, no es así. Lo que

ocurre es que la matemática es el idioma en que se puede expresar con mayor

precisión lo que se dice en física.

La Física es una de las ciencias naturales que más ha contribuido al desarrollo

y bienestar del hombre, porque gracias a su estudio e investigación ha sido

posible encontrar en muchos casos, una explicación clara y útil a los

fenómenos que se presentan en nuestra vida diaria.

Así nos sirve para entender el fenómeno de la polarización de la materia, la

Física nos ha permitido a través de sus principios y experimentos llegar a la

conclusión de que existen cuatro tipos de polarización: la polarización

electrónica, la polarización iónica, la polarización molecular y las cargas

espaciales. También nos ayuda a comprender que existe factores externos que

afectan a la polarización y estos son: la constante dieléctrica del material, el

campo eléctrico externo y la temperatura. Así podemos llegar a ciertas formulas

y conocer las variables que actúan sobre los fenómenos.

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ÍNDICE

ASPECTOS GENERALES

Resumen..........................................................................................Pág. 03 Objetivos..........................................................................................Pág. 04

MARCO TEORICO

Polarización de la materia.........................................................................pág. 05Definición..........................................................................................pág. 05Clasificación.....................................................................................pág. 06

Polarización de Orientación.......................................................pág. 06Polarización de Distorsión..........................................................pág. 07Polarización electrónica.............................................................pág. 07Polarización iónica.....................................................................pág. 08Polarización molecular...............................................................pág. 08Cargas espaciales.....................................................................pág. 09

Factores externos.............................................................................pág. 09Constante dieléctrica.................................................................pág. 09Campo eléctrico.........................................................................pág. 11Temperatura..............................................................................pág. 12

Ejemplos aplicativos.........................................................................pág. 13

ASPECTOS FINALES

Conclusiones....................................................................................Pág.19Lista de Referencias.........................................................................Pág.20

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RESUMEN

La polarización de la materia es definida como el desplazamiento de carga a

nivel atómico y/o molecular, dando un momento dipolar eléctrico. Pero cabe

señalar que la aparición de estos dos polos a nivel atómicos se pueden generar

de distintas formas entre los cuales son: polarización de orientación,

polarización de distorsión, polarización electrónica, polarización iónica,

polarización molecular y finalmente por cargas espaciales.

Además se debe señalar que existen algunos factores que afectan la

polarización y que dificultan que se origine la polarización, entre las causas

principales tenemos; la constante dieléctrica, el campo eléctrico externo y la

temperatura; el cual generan una despolarización en algunos casos y dificultan

a los medios de polarización que se hicieron mención.

Por último se debe decir que todas estas formas de polarizar a la materia nos

dan aplicaciones en distintos campos, como en la bilogía, geología, química,

astronomía y otros campos que son importantes para el avance tecnológico

que son aplicados por la física.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Explixar…

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Definir…

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POLARIZACIÓN DE LA MATERIA

DEFINICIÓNLa polarización de la materia se entiende como el desplazamiento

relativo de cargas a escala atómica cuya extensión depende de qué tan rígida

sea la unión entre las cargas. En el electromagnetismo clásico, la polarización

eléctrica es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos

eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. El

vector de polarización P⃗ se define como el momento dipolar por unidad de

volumen, recordando que el momento dipolar total de una distribución de carga

viene dado por la ecuación:

p⃗=∑ qn r⃗n

Siendo r⃗n el vector de posición de la carga qn. Por otro lado, el vector

polarización tiene la siguiente forma:

P⃗=N p⃗

Donde N es el número de moléculas.

La polarización eléctrica P⃗ es uno de los tres campos eléctricos

macroscópicos que describen el comportamiento de los materiales, los otros

dos son el campo eléctrico E⃗ y el campo de desplazamiento eléctrico D⃗.

Se sabe, por estudios anteriores y reconocidos ya en la literatura

científica, que “el origen último del comportamiento dieléctrico está en la

naturaleza eléctrica de la materia. Aunque de manera normal es eléctricamente

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neutra como conjunto, en detalle, la materia, está constituida por cargas

positivas y negativas en igual número. A diferencia de los electrones de

conducción, en las sustancias dieléctricas estas cargas no son libres de

moverse, bajo la influencia de un campo eléctrico de origen externo”.

CLASIFICACIÓN

Pues bien, cuando sobre un medio dieléctrico se aplica un campo

eléctrico, ya sea estático o dinámico, se produce en su interior una

reordenación de carga que microscópicamente da lugar a la aparición de

dipolos eléctricos. El efecto de la aparición de dichos dipolos se observa

macroscópicamente. La aparición de estos dipolos se puede producir mediante

distintos tipos de mecanismos:

Polarización de orientación.

Este mecanismo da lugar a la aparición inducida debido a la orientación, en la

dirección del campo aplicado, de los momentos dipolares que poseen las

moléculas que componen ciertos medios (sustancias polares). En las

siguientes figuras presentamos un esquema dipolar de un material arbitrario sin

y con campo eléctrico.

Esquema de orientación dipolar al azar sin la presencia de un campo eléctrico.

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Esquema de orientación dipolar en presencia de un campo eléctrico. Las líneas

junto a las flechas indican hacia donde se orientan los dipolos en presencia del

campo.

Polarización de distorsión.

La aplicación de campos eléctricos sobre medios materiales puede producir la

modificación de distribuciones de carga generando la aparición de dipolos

eléctricos. Dependiendo de la forma en que son inducidos los dipolos se

distinguen dos tipos de polarizaciones:

Polarización electrónica.

Se puede decir que el dipolo es inducido a nivel atómico debido a un

desplazamiento relativo entre el centro de cargas de la corteza electrónica y el

núcleo atómico.

Esquema de polarización electrónica.

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Polarización iónica.

Los dipolos son inducidos a nivel cristalino debido a un desplazamiento relativo

entre iones positivos y negativos.

Aparición de momento dipolar eléctrico por desplazamiento relativo de las

capas iónicas.

Desde el punto de vista macroscópico, estos mecanismos de polarización

pueden aparecer simultáneamente y por ende su estudio puede ser

complicado. Por esto, presento a continuación, unas breves palabras sobre

dieléctricos conectándolo con el tema de polarización.

Polarización molecular.

Al aplicar el campo eléctrico en materiales que contienen dipolos naturales:

Los dipolos giran hasta alinearse con el campo aplicado

Ej: agua, moléculas orgánicas

En algunos materiales los dipolos se mantienen alineados al eliminarse el

campo eléctrico: polarización permanente

Un ejemplo de este tipo de polarización es el BaTiO3

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Cargas espaciales.

Debido a la presencia de impurezas puede desarrollarse una carga eléctrica en

las interfaces de un material. Esta carga se mueve sobre la superficie cuando

el material se coloca en un campo eléctrico

FACRTORES EXTERNOS

Son todos aquellos factores que afectan a la polarización, y se definen a

continuación:

La constante dieléctrica

La Permitibilidad (o impropiamente constante dieléctrica) es una constante

física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio.

La Permitibilidad del vacío es 8,8541878176 x F/m.

La Permitibilidad es determinada por la habilidad de un material de polarizarse

en respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar

parcialmente el campo dentro del material. Está directamente relacionada con

la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta

Permitibilidad hace que la misma cantidad de carga eléctrica sea guardada con

un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una

mayor capacitancia del mismo.

La constante dieléctrica o Permitibilidad relativa de un medio continuo es una

propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la

Permitibilidad eléctrica del medio.

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En relación la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:

Donde k es la constante dieléctrica y km es la Permitibilidad relativa. El nombre

proviene de los materiales dieléctricos, que son materiales aislantes o muy

poco conductores por debajo de una cierta tensión eléctrica llamada tensión de

rotura. El efecto de la constante dieléctrica se manifiesta en la capacidad total

de un condensador eléctrico o capacitor. Cuando entre los conductores

cargados o paredes que lo forman se inserta un material dieléctrico diferente

del aire (cuya Permitibilidad es prácticamente la del vacío) la capacidad

de almacenamiento de la carga del condensador aumenta.

De hecho la relación entre la capacidad C i y la final Cf vienen dadas por la

constante eléctrica.

Donde ε es la permeabilidad eléctrica del dieléctrico que se inserta

Además el valor de la constante dieléctrica K de un material define el grado de

polarización eléctrica de la substancia cuando esta se somete a un campo

eléctrico exterior. El valor de K es afectado por muchos factores, como el peso

molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la

molécula) o el tipo de interacciones que presente.

La permitibilidad de un material es usualmente dada como la relación a la del

vacío, denominándose permitibilidad relativa, (también llamada constante

dieléctrica en algunos casos). La permitibilidad absoluta se calcula

multiplicando a la permitibilidad relativa por el vacío.

ε=ε r εo=(1+X c)εo

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Donde X es la susceptibilidad electrica del material. En la siguiente tabla se

muestran la Permibilidad absoluta de alguno dielectricos.

La permitibilidad del vacio ε o es el cociente de los campos D/E en ese medio.

Tambien aparece en la ley de Cooulumb 1

4 π ε o, que expresa la atracción entre

dos cargas en el vacio.

ε 0=1

c2μ0=8.8541878176…x 10−12F /m

Donde C es la velocidad de la luz y μ0 es la permeabilidad magnetica del vacio.

Estas tres constantes estan correctamente definicadas en el SI.

Campo Eléctrico

El campo eléctrico actúa a favor de la orientación de la polarización. Esto se

produce por lo siguiente, si un cuerpo no está sometido a la influencia de

un campo eléctrico, sus cargas negativas y positivas están uniformemente

distribuidas y se concluye que el cuerpo es neutro. Ver Figura 1.

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Si el mismo cuerpo ahora es afectado por un campo eléctrico, las cargas

negativas y positivas del se verán afectados por el campo. Como consecuencia

la distribución de cargas dentro del cuerpo cambia.

Una parte del cuerpo se cargará positivamente y otra parte del mismo se

cargará negativamente. Sin embargo, tomando el cuerpo como un todo, este se

mantiene neutro, pues el número de cargas no ha variado. Ver figura 2.

Las cargas tratan de distribuirse en la superficie del cuerpo, como

consecuencia se tiene un cuerpo cargado eléctricamente que atrae y repele

otros cuerpos. Cuando un cuerpo está en esas condiciones se dice que está

polarizado.

Si el campo eléctrico es retirado, el cuerpo metálico recupera su estado

anterior. Lo que esto significa es que el campo eléctrico tiene la cualidad de

alterar la distribución de cargas eléctricas dentro de un cuerpo. Tomar en

cuenta que este concepto se aplica a un cuerpo conductor.

Los cuerpos no conductores, llamados aislantes o dieléctricos, también se

pueden polarizar, sin embargo esta polarización se da a nivel de moléculas o

grupo de moléculas.

Pero si agregamos un campo eléctrico aparte del presente en el cuerpo, se

produce una despolarización del cuerpo debido a la alteración de las cargas.

Temperatura

La T actúa en contra del orden de los dipolos

T altas: desorientación

T bajas: orientación

T Curie: T critica a partir de la cual se pierde la polarización

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EJEMPLOS APLICATIVOS

Biología

Muchos animales son capaces de percibir la polarización de luz, usando esa

habilidad con objetivos de navegación ya que la polarización lineal de la luz de

cielo es siempre perpendicular a la dirección del sol. Esta capacidad es muy

común entre los insectos, incluyendo las abejas, que usan esta información

para orientar su danza de la abeja. La sensibilidad a la polarización también ha

sido observada en especies de pulpo, calamar, sepia y mantis. El rápido

cambio en la coloración de la piel de la sepia se usa para la comunicación,

polarizando la luz que se refleja sobre ella. La mantis religiosa es conocida por

tener un tejido reflexivo selectivo que polariza la luz. Hace tiempo se pensaba

que la polarización de la luz del cielo era percibida por las palomas y era una

de las ayudas de las palomas mensajeras, pero algunas investigaciones

señalan que eso es un mito popular.

El ojo humano es débilmente sensible a la polarización, sin necesidad de la

intervención de filtros externos. La luz polarizada crea un dibujo modelo muy

débil cerca del campo visual, llamado cepillo de Haidinger. Este dibujo es muy

difícil de ver, pero con la práctica uno puede aprender a descubrir la luz

polarizada a simple vista.

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Geología

La propiedad de la birrefringencia lineal es común a

muchos minerales cristalinos y su estudio ayudó a descubrir el fenómeno de la

polarización. En mineralogía, esta propiedad es estudiada con frecuencia

usando microscopios de luz polarizada, con el objetivo de identificar minerales.

Química

La polarización es de principal importancia en la química debido

al dicroísmo circular y la rotación del plano de polarización (birrefringencia

circular) mostrada por moléculas quirales ópticamente activas. Esta rotación del

plano de polarización puede medirse utilizando un polarímetro.

La polarización también puede observarse en el efecto inductivo o

la resonancia de los enlaces o en la influencia de un grupo funcional en las

propiedades eléctricas (por ejemplo, el momento dipolar) de un enlace

covalente o de un átomo.

Astronomía

En muchas áreas de la astronomía, el estudio de la radiación electromagnética

polarizada del espacio exterior es de gran importancia. Aunque por lo general

no se produce en la radiación térmica de las estrellas, la polarización está

también presente en la radiación de algunas fuentes astronómicas coherentes

(por ejemplo, algunas masas de metanol o de hidróxidos), y de fuentes

incoherentes como los grandes lóbulos de radio en galaxias activas, y la

radiación pulsatoria de radio (que se especula que pueda ser a veces

coherente), y también se impone sobre la luz de las estrellas dispersando polvo

interestelar. Aparte del aporte de información sobre las fuentes de radiación y

dispersión, la polarización también se utiliza para explorar el campo

magnético aplicando el efecto Faraday. La polarización de la radiación de fondo

de microondas sirve para estudiar la física del principio del universo.

La radiación sincrotrón está severamente polarizada. También usando un filtro

polarizador, en el Telescopio Infrarrojo Británico (UKIRT) se ha logrado por vez

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primera ver con claridad el disco de materia alrededor de un agujero negro,

diferenciándolo de las nubes de gas y polvo que lo rodean.

Tecnología

Las aplicaciones tecnológicas de la polarización están sumamente extendidas.

Quizás los ejemplos más comúnmente encontrados son las pantallas de cristal

líquido (display clearblack creados por Nokia, con filtros polarizados que

permiten mejor la vizualizacion de la pantalla en exteriores con luz natural)

(LCD), las gafas de sol de cristal polarizado y los filtros polarizadores utilizados

en fotografía.

Todas las antenas transmisoras y receptoras de radiofrecuencia usan la

polarización electromagnética, especialmente en las ondas de radar. La

mayoría de las antenas irradian ondas polarizadas, ya sea con polarización

horizontal, vertical o circular. La polarización vertical es usada más

frecuentemente cuando se desea irradiar una señal de radio en todas las

direcciones como en las bases de telefonía móvil o las ondas de radio AM. Sin

embargo, no siempre se utiliza la polarización vertical. La televisión

normalmente usa la polarización horizontal. La alternancia entre polarización

vertical y horizontal se utiliza en la comunicación por satélite (incluyendo

satélites de televisión) para reducir la interferencia entre señales que tienen un

mismo rango de frecuencias, teniendo la separación reducida angular en

cuenta entre los satélites.

Imagen de un plástico sometido a tensión en un ensayo de fotoelasticidad.

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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelasticimetry1.JPG

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En ingeniería, la relación entre la tensión y la birrefringencia motiva el empleo

de la polarización para caracterizar la distribución de tensiones y la tensión en

los prototipos usando la técnica de la fotoelasticidad. La muestra a analizar se

coloca entre dos filtros polarizadores, el primero hace que la luz que pase por

la pieza a ensayar esté polarizada y el segundo descompone la luz. Es un

ensayo muy utilizado en aplicaciones de piezas de dos dimensiones.

La polarización en la atmósfera fue estudiada en los años 1950 navegando

cerca de los polos campo magnético terrestre cuando ni el el sol ni

las estrellas eran visibles (por ejemplo en un día nublado). Se ha sugerido,

polémicamente, que losvikingos ya utilizaban espato de Islandia para ver la

dirección del sol en días nublados para orientarse durante sus largas

expediciones a través el Atlántico Norte entre los siglos IX y X, antes de la

llegada de la brújula magnética a Europa en el siglo XII. Uno de los dispositivos

más ingeniosos de Charles Wheatstone fue el reloj polar expuesto en la

reunión de la British Association for the Advancement of Science en 1848.

La polarización también se utiliza en las películas de cine 3D, en las cuales las

imágenes son proyectadas, o bien por dos proyectores diferentes con filtros de

polarización ortogonalmente orientados, o bien por un único proyector que

proyecta ambas imágenes alternativamente con planos de polarización

perpendiculares entre sí mediante un multiplexor. Las gafas con filtros

polarizadores orientados de modo similar a los planos de polarización de las

imágenes proyectadas aseguran que cada ojo reciba sólo la imagen correcta.

De igual manera, este efecto también es usado para realizar

proyecciones estereoscópicas, ya que no es muy caro de producir y permite

realizar visualizaciones de alto contraste. En ambientes donde el espectador se

mueve, como en simuladores, a veces se utiliza la polarización circular. Esto

permite que la separación de ambos canales (correspondiente a cada uno de

los ojos del observador) no se vea afectada por la orientación del observador.

El efecto 3-D sólo funciona proyectando la imagen sobre una pantalla metálica

que mantiene la polarización de los proyectores, mientras que la reflexión sobre

una pantalla de proyección normal anularía el efecto.

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ASPECTOS FINALES

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CONCLUSIONES

Como conclusión principal tenemos que la polarización ha servido para el avance tecnológico debido a sus diferentes aplicaciones como las impresoras laser.

La polaridad nos sirvió para conocer los diferentes tipos de material polar que es el agua y actualmente es utilizada por la industria química.

El comportamiento eléctrico y propiedades eléctricas de los materiales toman un papel importante a la hora de clasificar los materiales a ser usados en la fabricación y perfeccionamiento de las distintas herramientas y cuerpos que se utilizan diariamente.

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LISTA DE REFERENCIAS

REITZ, J. MILFORD, F. Et Al. CHRISTY, R. (S/A).FUNDAMENTOS DE

LA TEORIA ELECTROMAGNETICA. Cuarta edición. Mexico.

SEARS, ZEMANSKY, Et Al. 2010. FÍSICA UNIVERSITARIA. Tomo 2.

Ediciones Pearson educación. México.

PEREZ, M. OLMO, S. Ft. SANCHEZ, A. (S/A). DIPOLOS Y POLARIZACION.

Consultado el 28 de noviembre del 2014 desde:

http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/

G1-ppt1111.pdf

ANONIMO. (S/A).POLARIZCION. Consultado el 29 de noviembre del 2014

desde: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/22100/Capitulo2.pdf

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http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/22100/Capitulo2.pdf

http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/G1-ppt1111.pdf

http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/G1-ppt1111.pdf

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