Dipolo para niños

Véase también: Dipolo (desambiguación)

El campo magnético de una esfera con un polo magnético norte en la parte superior y un polo magnético sur en la parte inferior. En comparación, la Tierra tiene un polo magnético sur cerca de su polo geográfico norte y un polo magnético norte cerca de su polo sur.

En el mundo de la electricidad y el magnetismo, un dipolo es como un sistema que tiene dos "polos" o extremos opuestos. La palabra "dipolo" viene del griego y significa "dos ejes".

Existen dos tipos principales de dipolos:

Un dipolo eléctrico se forma cuando hay una separación de cargas eléctricas positivas y negativas. Imagina que tienes una carga positiva y una carga negativa, ambas con la misma fuerza, pero separadas por una pequeña distancia. Eso es un dipolo eléctrico simple. Un material que tiene un dipolo eléctrico permanente se llama electreto.
Un dipolo magnético se crea por el movimiento de una corriente eléctrica en un círculo cerrado. Un ejemplo sencillo es un cable enrollado por el que pasa una corriente constante. Un imán de barra es un ejemplo común de un objeto con un momento dipolar magnético permanente.

Los dipolos, ya sean eléctricos o magnéticos, se pueden describir por su "momento dipolar". Esta es una medida que nos dice qué tan fuerte es el dipolo y en qué dirección apunta.

Para un dipolo eléctrico simple, el momento del dipolo eléctrico apunta desde la carga negativa hacia la carga positiva. Su fuerza es igual a la fuerza de cada carga multiplicada por la distancia que las separa.

En el caso de un bucle de corriente magnético, el momento del dipolo magnético apunta a través del bucle. Su fuerza es igual a la corriente que pasa por el bucle multiplicada por el área del bucle.

Las partículas muy pequeñas, como los electrones, también tienen momentos dipolares magnéticos. Esto se debe a una propiedad interna del electrón, no a un bucle de corriente real. Un electrón genera un campo magnético similar al de un bucle de corriente muy pequeño.

Gráfico del potencial electrostático de un dipolo eléctrico. Los colores fuertes indican el potencial más alto y más bajo (donde se encuentran las cargas opuestas del dipolo).

Un imán permanente, como un imán de barra, tiene su magnetismo gracias al momento dipolar magnético de sus electrones. Los dos extremos de un imán de barra se llaman polos, y se etiquetan como "norte" y "sur". Si un imán estuviera libre para moverse en el campo magnético de la Tierra, el polo que busca el norte apuntaría hacia el norte geográfico, y el polo que busca el sur apuntaría hacia el sur geográfico.

Es importante saber que el polo norte geomagnético de la Tierra es en realidad el polo sur de su momento dipolar magnético, y viceversa. Por eso, la aguja norte de una brújula (que es el polo norte de un pequeño imán) apunta hacia el norte geográfico, porque es atraída por el polo sur magnético de la Tierra que está cerca del polo norte geográfico.

Hasta ahora, los científicos solo conocen dos formas de crear dipolos magnéticos: mediante bucles de corriente o por una propiedad de las partículas llamada "giro cuántico". No se ha demostrado que existan los "monopolos magnéticos" (imanes con un solo polo).

Tipos de dipolos

Líneas de campo eléctrico de dos cargas opuestas separadas por una distancia.

Líneas de campo magnético de una corriente en forma de anillo.

Líneas de campo de un dipolo puntual, que puede ser eléctrico, magnético o de otro tipo.

Un dipolo físico está formado por dos cargas o polos iguales pero opuestos. Su campo de influencia, especialmente a grandes distancias, depende casi por completo de su momento dipolar. Un dipolo puntual es una versión idealizada donde la distancia entre los polos es tan pequeña que casi es cero, pero el momento dipolar se mantiene constante.

Aunque no se han encontrado monopolos magnéticos en la naturaleza, los dipolos magnéticos existen gracias al giro cuántico de partículas como los electrones. Un bucle de corriente muy pequeño se comporta de manera similar a un dipolo magnético puntual.

Cualquier grupo de cargas o corrientes tiene un "momento dipolar" que describe cómo se comporta su campo a grandes distancias. Este momento dipolar es el más importante para entender el campo a lo lejos.

Dipolos en las moléculas

Muchas moléculas tienen momentos dipolares. Esto sucede porque las cargas positivas y negativas no están distribuidas de manera uniforme en sus átomos. Por ejemplo, en el fluoruro de hidrógeno (HF), los electrones se sienten más atraídos por el flúor que por el hidrógeno, haciendo que el flúor sea un poco más negativo y el hidrógeno un poco más positivo.

El químico Peter J. W. Debye fue un pionero en el estudio de los dipolos moleculares. En su honor, la unidad de medida de los momentos dipolares se llama debye.

En las moléculas, podemos encontrar tres tipos de dipolos:

Dipolos permanentes: Ocurren cuando dos átomos en una molécula tienen una electronegatividad (capacidad de atraer electrones) muy diferente. Un átomo atrae más los electrones que el otro, volviéndose más negativo, mientras que el otro se vuelve más positivo. Una molécula con un momento dipolar permanente se llama molécula polar.
Dipolos instantáneos: Estos aparecen por casualidad. Los electrones se mueven constantemente, y a veces se concentran más en un lugar que en otro dentro de una molécula, creando un dipolo temporal. Aunque son más débiles que los permanentes, son muy importantes en la química y la bioquímica.
Dipolos inducidos: Pueden formarse cuando una molécula con un dipolo permanente se acerca a otra molécula y "empuja" o "jala" los electrones de esta última, creando un dipolo temporal en ella. Se dice que la molécula está polarizada cuando tiene un dipolo inducido.

El tamaño de un dipolo inducido depende de la fuerza del campo eléctrico externo y de qué tan fácil sea polarizar la molécula.

Los valores del momento dipolar se pueden medir. Aquí tienes algunos ejemplos en unidades de debye:

La molécula lineal de CO₂ tiene un dipolo cero porque los dos dipolos de enlace se anulan.

El bromuro de potasio (KBr) tiene uno de los momentos dipolares más altos porque es un compuesto iónico que existe como molécula en estado gaseoso.

La molécula de H₂O (agua) tiene un dipolo neto porque su forma doblada impide que los dipolos de enlace se anulen.

El momento dipolar total de una molécula se puede calcular sumando los momentos dipolares de cada uno de sus enlaces. Como es una suma de vectores, la forma de la molécula es muy importante. Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO₂) tiene un momento dipolar de cero porque es una molécula lineal, y los dipolos de sus enlaces se cancelan entre sí. En cambio, el agua (H₂O) tiene un momento dipolar porque es una molécula doblada, y los dipolos de sus enlaces no se anulan.

Campo de un dipolo magnético estático

El campo magnético de un dipolo se puede describir con fórmulas matemáticas. La fuerza del campo disminuye rápidamente a medida que te alejas del dipolo.

La fuerza del campo magnético (B) de un dipolo a cierta distancia (r) y latitud magnética (λ) se calcula con la siguiente fórmula:

B(m, r, \lambda) = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{m}{r^3} \sqrt{1 + 3\sen^2(\lambda)} \,

Donde:

B es la fuerza del campo, medida en teslas.
r es la distancia desde el centro del dipolo, en metros.
λ es la latitud magnética (un ángulo).
m es el momento dipolar.
μ₀ es una constante llamada permeabilidad del espacio libre.

El campo magnético en sí es una cantidad que tiene dirección, por lo que se representa como un vector:

\mathbf{B}(\mathbf{m}, \mathbf{r}) = \frac{\mu_0}{4\pi} \ \frac{3(\mathbf{m} \cdot \hat{\mathbf{r}}) \hat{\mathbf{r}} - \mathbf{m}}{r^3}

Esta fórmula describe el campo de un dipolo ideal y es una buena aproximación para el campo de cualquier objeto con forma de dipolo a grandes distancias.

Campo de un dipolo eléctrico

El potencial eléctrico alrededor de un dipolo eléctrico se calcula con esta fórmula:

\Phi(\mathbf{r}) = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\,\frac{\mathbf{p}\cdot\hat{\mathbf{r}}}{r^2}

Donde:

p es el momento dipolar (un vector).
є₀ es la permitividad del espacio libre (una constante).

El campo eléctrico de un dipolo se puede encontrar a partir de este potencial:

\mathbf{E} = - \nabla \Phi =\frac {1} {4\pi\epsilon_0} \ \frac{3(\mathbf{p}\cdot\hat{\mathbf{r}})\hat{\mathbf{r}}-\mathbf{p}}{r^3}

Esta fórmula es muy parecida a la del campo magnético de un dipolo magnético. Sin embargo, en un dipolo eléctrico real, las líneas de campo dentro del dipolo son diferentes, ya que las líneas de campo eléctrico nacen de las cargas positivas y terminan en las negativas.

Fuerza de giro en un dipolo

Cuando un dipolo se coloca en un campo eléctrico o magnético uniforme, aparecen fuerzas iguales pero opuestas en cada lado del dipolo. Estas fuerzas crean un par de torsión (una fuerza de giro) que tiende a alinear el dipolo con la dirección del campo.

Para un dipolo eléctrico p, el par de torsión (τ) es:

\boldsymbol{\tau} = \mathbf{p} \times \mathbf{E}

Y para un dipolo magnético m, el par de torsión es:

\boldsymbol{\tau} = \mathbf{m} \times \mathbf{B}

La energía potencial de un dipolo eléctrico en un campo es:

U = -\mathbf{p} \cdot \mathbf{E}

La energía de un dipolo magnético es similar:

U = -\mathbf{m} \cdot \mathbf{B}

Galería de imágenes

Módulo del vector de Poynting para un dipolo eléctrico oscilante (solución exacta). Las dos cargas se muestran como dos pequeños puntos negros.

Véase también

En inglés: Dipole Facts for Kids

Densidad de polarización
Modelos de dipolo magnético
Modelo dipolo del campo magnético de la Tierra
Electret
Dipolo del Océano Índico
Interacción dipolo-dipolo magnético
Momento magnético de giro
Monopolo
Sólido molecular

Enlaces externos

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