Materiali dielettrici

Materiali dielettrici

I materiali dielettrici sono essenzialmente isolanti, il che significa che nessuna corrente scorre attraverso il materiale quando viene applicata una tensione. Tuttavia, alcuni cambiamenti avvengono su scala atomica. Quando una tensione viene applicata attraverso un oggetto dielettrico, questo si polarizza. Poiché gli atomi sono fatti di un nucleo caricato positivamente e di elettroni caricati negativamente, la polarizzazione è un effetto che sposta leggermente gli elettroni verso la tensione positiva. Non viaggiano abbastanza lontano da creare un flusso di corrente attraverso il materiale – lo spostamento è microscopico, ma ha un effetto molto importante, soprattutto quando si tratta di condensatori. Una volta che la fonte di tensione viene rimossa dal materiale, esso ritorna al suo stato originale non polarizzato, o rimane polarizzato se i legami molecolari nel materiale sono deboli. La differenza tra i termini dielettrico e isolante non è molto ben definita. Tutti i materiali dielettrici sono isolanti, ma un buon dielettrico è uno che si polarizza facilmente.

La quantità di polarizzazione che si verifica quando una certa tensione viene applicata a un oggetto influenza la quantità di energia elettrica che viene immagazzinata nel campo elettrico. Questo è descritto dalla costante dielettrica del materiale. La costante dielettrica non è l’unica proprietà dei materiali dielettrici. Altre proprietà come la resistenza dielettrica e la perdita dielettrica sono altrettanto importanti nella scelta dei materiali per un condensatore in una data applicazione.

Costante dielettrica

La costante dielettrica di un materiale, chiamata anche permittività di un materiale, rappresenta la capacità di un materiale di concentrare linee di flusso elettrostatico. In termini più pratici, rappresenta la capacità di un materiale di immagazzinare energia elettrica in presenza di un campo elettrico. Tutti i materiali, compreso il vuoto, immagazzinano energia quando sono posti in un campo elettrico. La permittività del vuoto è definita come la costante fisica ε0, che è circa ε0 = 8,854 x 10-12 farad per metro. Questa costante appare in molte formule di elettromagnetismo.

Siccome la maggior parte dei condensatori non sono fatti di vuoto, ha senso definire la permittività per ogni materiale. La permittività di un materiale è definita come ε=εrε0, dove ε è la permittività assoluta ed er è la permittività relativa. εr è un numero che è sempre maggiore di 1, il che significa che tutti i materiali immagazzinano più energia dello spazio libero quando sono sottoposti a un campo elettrico. Questa proprietà è abbastanza utile nelle applicazioni dei condensatori, e lo spiegheremo ulteriormente in questo articolo. Va notato che la permittività relativa dipende da molti fattori, come la temperatura, la pressione e anche la frequenza, ed è per questo che i materiali con una costante dielettrica più stabile sono favoriti in alcune applicazioni.

Diversi materiali hanno diversi valori di permittività relativa. Qui forniamo una lista di materiali comunemente usati nei condensatori, insieme ai loro valori di er alla frequenza di 1kHz a temperatura ambiente, che può essere usata come un rapido riferimento e mostra la vasta gamma di valori che si incontrano nella pratica:

Resistenza dielettrica

Purtroppo, c’è un limite alla tensione che un isolante può sopportare prima di condurre elettricità. Tutti i materiali hanno un limite superiore di tensione, chiamato tensione di rottura. Un buon esempio di questo è l’aria. È considerata un isolante, ma in certe circostanze può far scorrere la corrente. Questo è esattamente ciò che accade durante un fulmine. Dopo aver superato l’intensità del campo di rottura, l’aria viene ionizzata (gli elettroni vengono strappati dal nucleo dell’atomo) e cominciano a muoversi sotto l’influenza del campo elettrico, producendo corrente elettrica. È molto importante non superare la massima tensione nominale di un condensatore per evitare danni o addirittura la completa distruzione. La rigidità dielettrica dell’aria è di circa 3 megavolt al metro. In confronto, la rigidità dielettrica della mica è di circa 120 MV/m. La scelta del materiale dielettrico è molto importante in alcune applicazioni in cui sono previste alte tensioni, o quando lo spessore del dielettrico è molto piccolo.

Perdita dielettrica

Il termine perdita dielettrica si riferisce all’energia che si perde per riscaldamento di un oggetto che è fatto di un materiale dielettrico se gli viene applicata una tensione variabile. Queste perdite avvengono perché quando il materiale cambia polarizzazione, i piccoli spostamenti di elettroni possono essere considerati come un piccolo flusso di corrente alternata. Materiali diversi hanno perdite diverse a frequenze diverse, e questa caratteristica deve essere presa in considerazione in alcune applicazioni ad alta frequenza.

Applicazione dei materiali dielettrici ai condensatori

Per capire l’effetto del dielettrico su un condensatore, rivediamo velocemente la formula nota per la capacità di un condensatore a piastre parallele:

dove C è la capacità, εr è la permittività relativa del materiale, ε0 è la permittività del vuoto, A è l’area delle piastre e d è la distanza tra le piastre. Diventa chiaro che più grande è εr, più grande diventa la capacità risultante. Per esempio, l’aria come materiale ha una permittività relativa di circa 1, il che significa che si comporta come se le piastre del condensatore fossero poste nel vuoto. D’altra parte, alcuni polimeri possono avere la permittività relativa fino a 100.000! Utilizzando tali materiali, è possibile ottenere la stessa capacità in un volume molto più piccolo, aprendo possibilità di miniaturizzazione.

Ora guardiamo la rigidità dielettrica. Consideriamo un condensatore in aria, con una distanza tra gli elettrodi di 0,1 mm. La rigidità dielettrica dell’aria è di 3 megavolt per metro. Ciò significa che la tensione massima che può essere applicata a questo esempio di condensatore è di 300 volt in condizioni ideali. Più piccolo è il condensatore, più bassa è la tensione massima consentita. Tutti i condensatori hanno tensioni nominali massime che dipendono dai materiali usati, e superare questi valori nominali potrebbe danneggiare o distruggere il condensatore.