QUAL È LA COSTANTE DIELETTRICA? - FISICO - 2024

La costante dielettrica è un valore associato al materiale che viene posto tra le piastre di un condensatore (o condensatore - Figura 1) e che permette di ottimizzarne ed aumentarne la funzione. (Giancoli, 2006). Dielettrico è sinonimo di isolante elettrico, cioè sono materiali che non consentono il passaggio della corrente elettrica.

Questo valore è importante sotto molti aspetti, poiché è comune per tutti utilizzare apparecchiature elettriche ed elettroniche nelle nostre case, spazi ricreativi, educativi o postazioni di lavoro, ma sicuramente non siamo a conoscenza dei complicati processi che avvengono in questa apparecchiatura per poter funzionare.

Figura 1: diversi tipi di condensatori.

Ad esempio, i nostri minicomponenti, televisori e dispositivi multimediali, utilizzano la corrente continua per le loro funzioni, ma le correnti domestiche e industriali che raggiungono le nostre case e i luoghi di lavoro sono correnti alternate. Com'è possibile?.

Figura 2: Circuito elettrico di un'apparecchiatura domestica

La risposta a questa domanda è all'interno della stessa apparecchiatura elettrica ed elettronica: condensatori (o condensatori). Questi componenti consentono, tra l'altro, di rendere possibile la rettifica della corrente alternata in corrente continua e la loro funzionalità dipende dalla geometria o forma del condensatore e dal materiale dielettrico presente nel suo progetto.

I materiali dielettrici svolgono un ruolo importante, poiché consentono alle piastre che compongono il condensatore di essere molto vicine, senza toccarsi, e ricoprono completamente lo spazio tra dette piastre con materiale dielettrico per aumentare la funzionalità dei condensatori.

Origine della costante dielettrica: condensatori e materiali dielettrici

Il valore di questa costante è un risultato sperimentale, cioè proviene da esperimenti effettuati con diversi tipi di materiali isolanti e che danno luogo allo stesso fenomeno: aumento della funzionalità o efficienza di un condensatore.

I condensatori sono associati ad una grandezza fisica chiamata capacità "C", che definisce la quantità di carica elettrica "Q" che un condensatore può immagazzinare fornendo una certa differenza di potenziale "∆V" (Equazione 1).

(Equazione 1)

Gli esperimenti hanno concluso che coprendo completamente lo spazio tra le piastre di un condensatore con un materiale dielettrico, i condensatori aumentano la loro capacità di un fattore κ, chiamato "costante dielettrica". (Equazione 2).

(Equazione 2)

Un'illustrazione di un condensatore a piastre parallele piatte di capacità C caricato e di conseguenza con un campo elettrico uniforme diretto verso il basso tra le sue piastre è presentato in Figura 3.

Nella parte superiore della figura c'è il condensatore con un vuoto tra le sue piastre (vuoto - permettività ∊0). Quindi, in basso, si presenta lo stesso condensatore con capacità C '> C, con un dielettrico tra le sue piastre (di permettività ∊).

Figura 3: Condensatore a piastre piano-parallelo senza dielettrico e con dielettrico.

Figueroa (2005), elenca tre funzioni per i materiali dielettrici nei condensatori:

1. Consentono una costruzione rigida e compatta con un piccolo spazio tra le piastre conduttive.
2. Consentono di applicare una tensione maggiore senza provocare una scarica (il campo elettrico di rottura è maggiore di quello dell'aria)
3. Aumenta la capacità del condensatore di un fattore κ noto come costante dielettrica del materiale.

Pertanto, l'autore indica che, κ "è chiamata costante dielettrica del materiale e misura la risposta dei suoi dipoli molecolari a un campo magnetico esterno". Cioè, la costante dielettrica è maggiore quanto più alta è la polarità delle molecole del materiale.

Modelli atomici di dielettrici

In generale, i materiali hanno disposizioni molecolari specifiche che dipendono dalle molecole stesse e dagli elementi che li compongono in ciascun materiale. Tra gli arrangiamenti molecolari che intervengono nei processi dielettrici c'è quello delle cosiddette "molecole polari" o polarizzate.

Nelle molecole polari, c'è una separazione tra la posizione centrale delle cariche negative e la posizione centrale delle cariche positive, facendo sì che abbiano poli elettrici.

Ad esempio, la molecola d'acqua (Figura 4) è permanentemente polarizzata perché il centro della distribuzione della carica positiva è a metà strada tra gli atomi di idrogeno. (Serway e Jewett, 2005).

Figura 4: Distribuzione della molecola d'acqua.

Mentre nella molecola BeH2 (berillio idruro - Figura 5), ​​una molecola lineare, non c'è polarizzazione, poiché il centro di distribuzione delle cariche positive (idrogeni) è al centro di distribuzione delle cariche negative (berillio) , annullando qualsiasi polarizzazione che possa esistere. Questa è una molecola non polare.

Figura 5: distribuzione di una molecola di idruro di berillio.

Allo stesso modo, quando un materiale dielettrico è in presenza di un campo elettrico E, le molecole si allineeranno in funzione del campo elettrico, provocando una densità di carica superficiale sulle facce del dielettrico che si affacciano sulle piastre del condensatore.

A causa di questo fenomeno, il campo elettrico all'interno del dielettrico è inferiore al campo elettrico esterno generato dal condensatore. La figura seguente (Figura 6) mostra un dielettrico polarizzato elettricamente all'interno di un condensatore a piastre planare-parallelo.

È importante notare che questo fenomeno si verifica più facilmente nei materiali polari che in quelli non polari, a causa dell'esistenza di molecole polarizzate che interagiscono in modo più efficiente in presenza del campo elettrico. Tuttavia, la semplice presenza del campo elettrico provoca la polarizzazione di molecole non polari, con lo stesso fenomeno dei materiali polari.

Figura 6: Modelli delle molecole polarizzate di un dielettrico a causa del campo elettrico originato nel condensatore carico.

Valori delle costanti dielettriche in alcuni materiali

A seconda della funzionalità, dell'economia e dell'utilità finale dei condensatori, vengono utilizzati diversi materiali isolanti per ottimizzarne le prestazioni.

I materiali come la carta sono molto economici, anche se possono guastarsi ad alte temperature oa contatto con l'acqua. Pur essendo in gomma, è ancora malleabile ma più resistente. Abbiamo anche la porcellana, che resiste alle alte temperature sebbene non possa adattarsi a diverse forme secondo necessità.

Di seguito è riportata una tabella in cui è specificata la costante dielettrica di alcuni materiali, dove le costanti dielettriche non hanno unità (sono adimensionali):

Tabella 1: Costanti dielettriche di alcuni materiali a temperatura ambiente.

Alcune applicazioni dei materiali dielettrici

I materiali dielettrici sono importanti nella società globale con un'ampia gamma di applicazioni, dalle comunicazioni terrestri e satellitari, inclusi software radio, GPS, monitoraggio ambientale attraverso i satelliti, tra gli altri. (Sebastian, 2010)

Inoltre, Fiedziuszko e altri (2002) descrivono l'importanza dei materiali dielettrici per lo sviluppo della tecnologia wireless, inclusa la telefonia cellulare. Nella loro pubblicazione descrivono la rilevanza di questo tipo di materiali nella miniaturizzazione delle apparecchiature.

In questo ordine di idee, la modernità ha generato una grande richiesta di materiali con costanti dielettriche alte e basse per lo sviluppo di una vita tecnologica. Questi materiali sono componenti essenziali per i dispositivi Internet in termini di funzioni di archiviazione dei dati, comunicazioni e prestazioni delle trasmissioni di dati. (Nalwa, 1999).

Riferimenti

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN e Wakino, K. (2002). Materiali, dispositivi e circuiti dielettrici. Transazioni IEEE sulla teoria e le tecniche delle microonde, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interazione elettrica. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FISICO. A cominciare dalle applicazioni. Messico: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Manuale dei materiali a bassa e alta costante dielettrica e loro applicazioni, set a due volumi. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Materiali dielettrici per comunicazioni wireless. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Messico: International Thomson Editores.