Dielettrico (Dielectric)

Nell'elettromagnetismo, un dielettrico, noto anche come mezzo dielettrico, funziona come un isolante elettrico in grado di polarizzarsi se sottoposto a un campo elettrico esterno. A differenza dei conduttori elettrici, dove gli elettroni liberi fluiscono facilmente, i materiali dielettrici non consentono il movimento delle cariche elettriche perché i loro elettroni non hanno legami allentati, impedendone la deriva. Quando esposte a un campo elettrico, le cariche all'interno di un dielettrico subiscono un leggero spostamento rispetto alle loro posizioni di equilibrio medio, con conseguente polarizzazione dielettrica. Questa polarizzazione comporta lo spostamento delle cariche positive nella direzione del campo applicato e delle cariche negative nella direzione opposta. Di conseguenza, viene generato un campo elettrico interno, che diminuisce il campo elettrico totale all'interno del dielettrico. Inoltre, se un dielettrico comprende molecole debolmente legate, queste molecole non solo si polarizzano ma si riorientano, allineando i loro assi di simmetria con il campo applicato.

Lo studio delle proprietà dielettriche si concentra sui meccanismi di accumulo e dissipazione dell'energia elettrica e magnetica all'interno di vari materiali. Le sostanze dielettriche sono fondamentali per chiarire numerosi fenomeni in diversi campi, tra cui l'elettronica, l'ottica, la fisica dello stato solido e la biofisica cellulare.

Terminologia

Mentre il termine isolante denota un materiale con minima conduzione elettrica, dielettrico si riferisce specificamente a sostanze caratterizzate da elevata polarizzabilità. Questa proprietà è rappresentata quantitativamente da un valore noto come permettività relativa. In generale, isolante descrive la capacità di un materiale di impedire la corrente elettrica, mentre dielettrico evidenzia la sua capacità di immagazzinare energia elettrica attraverso la polarizzazione. Un'illustrazione per eccellenza di un dielettrico è la sostanza elettricamente isolante situata tra le piastre metalliche di un condensatore. La polarizzazione indotta nel dielettrico da un campo elettrico esterno aumenta la carica superficiale del condensatore per una specifica intensità del campo elettrico.

La designazione dielettrico è stata coniata da William Whewell, combinando dia ed elettrico, per volere di Michael Faraday.

Un dielettrico perfetto è definito come un materiale che possiede una conduttività elettrica pari a zero, in contrasto con un conduttore perfetto che presenta una conduttività elettrica infinita. Di conseguenza, manifesta esclusivamente una corrente di spostamento, che gli consente di immagazzinare e successivamente rilasciare energia elettrica in modo simile a un condensatore ideale.

Suscettibilità elettrica

La suscettibilità elettrica, indicata come ${\displaystyle \chi _{e}}$, quantifica la facilità con cui un materiale dielettrico si polarizza quando sottoposto a un campo elettrico. Questa caratteristica determina successivamente la permettività elettrica del materiale, influenzando così un'ampia gamma di fenomeni all'interno di quel mezzo, che vanno dalla capacità del condensatore alla velocità della luce.

Questa suscettibilità è formalmente definita come la costante di proporzionalità, che può essere un tensore, che stabilisce la relazione tra un campo elettrico ${\displaystyle \mathbf {E} }$ e la densità di polarizzazione dielettrica indotta risultante ${\displaystyle \mathbf {P} }$, come espresso dalla seguente equazione:

P = ε<!-- ε --> §1718§ χ e E , {\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} ,}

In questa equazione, ε<!-- ε --> §1112§ {\displaystyle \varepsilon _{0}} rappresenta la permettività elettrica dello spazio libero.

La suscettibilità di un dato mezzo è correlata alla sua permettività relativa, indicata come ${\displaystyle \varepsilon _{r}}$, attraverso la seguente relazione:

$${\displaystyle \chi _{e}\ =\varepsilon _{r}-1.}$$

Di conseguenza, per un vuoto classico,

$${\displaystyle \chi _{e}\ =0.}$$

Lo spostamento elettrico, indicato come ${\displaystyle \mathbf {D} }$, mantiene una relazione con la densità di polarizzazione, rappresentata da ${\displaystyle \mathbf {P} }$, come segue:

D = ε<!-- ε --> §2122§ E + P   =   ε §4647§ ( §5354§ + χ e ) E   =   ε §8687§ ε r E . {\displaystyle \mathbf {D} \ =\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \ =\ \varepsilon _{0}\left(1+\chi _{e}\right)\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\mathbf {E} .}

Dispersione e causalità

In genere, i materiali non mostrano una polarizzazione istantanea quando sottoposti a un campo esterno. Di conseguenza, una formulazione più completa, espressa in funzione del tempo, è presentata come:

P ( t ) = ε<!-- ε --> §2324§ ∫ − ∞ t χ e ( t − t ′ ) E ( t ′ ) d t ′ . {\displaystyle \mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} (t')\,dt'.}

La polarizzazione è definita come una convoluzione del campo elettrico dai momenti precedenti con una suscettibilità dipendente dal tempo, espressa come ${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)}$. Il limite superiore di questo integrale può essere esteso all'infinito stabilendo che χ<!-- χ --> e ( Δ<!-- Δ --> t ) = §5859§ {\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0} quando 82§ {\displaystyle \Delta t<0} . Una risposta istantanea è caratterizzata da una suscettibilità alla funzione delta di Dirac, rappresentata come ${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=\chi _{e}\delta (\Delta t)}$.

Per i sistemi lineari, è spesso più pratico applicare la trasformata di Fourier, esprimendo questa relazione in funzione della frequenza. Di conseguenza, il teorema di convoluzione semplifica l'integrale in un prodotto diretto: P ( ω<!-- ω --> ) = ε<!-- ε --> §2425§ χ e ( ω ) E ( ω ) . {\displaystyle \mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).} .

La suscettibilità, o il suo equivalente, la permettività, mostra una dipendenza dalla frequenza. Questa variazione di suscettibilità dipendente dalla frequenza definisce le caratteristiche di dispersione del materiale.

Inoltre, il principio di causalità impone che la polarizzazione possa essere influenzata solo da campi elettrici precedenti (in particolare, ${\displaystyle \Delta t<0}$). Ciò impone vincoli di Kramers-Kronig sia sulla componente reale che su quella immaginaria della suscettibilità ${\displaystyle \chi _{e}(\omega )}$.

Polarizzazione dielettrica

Modello atomico fondamentale

Nel quadro classico dei dielettrici, i materiali sono concettualizzati come composti da atomi. Ogni atomo comprende una nuvola di elettroni caricati negativamente che è legata e circonda una carica puntiforme centrale positiva. Quando sottoposta a un campo elettrico esterno, questa nuvola di elettroni subisce una distorsione, come illustrato nella parte in alto a destra dell'illustrazione allegata.

Attraverso l'applicazione del principio di sovrapposizione, questo fenomeno può essere semplificato in un dipolo elementare. Un dipolo è caratterizzato dal suo momento dipolare, una quantità vettoriale rappresentata nella figura dalla freccia blu etichettata M. L'interazione tra il campo elettrico e questo momento dipolare determina fondamentalmente il comportamento del dielettrico. Sebbene la figura rappresenti l'allineamento del momento dipolare con il campo elettrico, si tratta di una semplificazione significativa non universalmente applicabile, sebbene descriva accuratamente molti materiali.

Dopo la rimozione del campo elettrico, l'atomo ritorna al suo stato iniziale. La durata di questo processo di ritorno è chiamata tempo di rilassamento, che segue un modello di decadimento esponenziale.

Questo principio costituisce la base fondamentale del modello fisico. Il comportamento del dielettrico varia successivamente a seconda delle circostanze specifiche. Scenari più complessi richiedono un modello più completo per garantire una descrizione accurata del comportamento osservato. Le considerazioni chiave includono:

• Il campo elettrico rimane costante o mostra variazioni temporali e, in caso affermativo, a quale velocità?
• La risposta del materiale dipende dalla direzione del campo applicato, indicandone l'isotropia?
• Il materiale mostra una risposta uniforme ovunque, a significare la sua omogeneità?
• Esistono limiti o interfacce che richiedono considerazione?
• La risposta del materiale dimostra linearità rispetto al campo applicato o sono presenti effetti non lineari?

Il comportamento del dielettrico ha origine dalla relazione tra il campo elettrico E e il momento dipolare M. Per un materiale specifico, questo comportamento può essere caratterizzato dalla funzione F, che è formalmente definita dalla seguente equazione: $${\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {F} (\mathbf {E} ).}$$

Una volta stabiliti sia il tipo di campo elettrico che le proprietà del materiale, viene selezionata la funzione F più semplice in grado di prevedere accuratamente i fenomeni oggetto di indagine. Tali fenomeni suscettibili a questo approccio di modellazione includono:

• Indice di rifrazione
• Dispersione della velocità di gruppo
• Birifrangenza
• Messa a fuoco automatica
• Generazione armonica

Polarizzazione dipolare

La polarizzazione dipolare si riferisce a un tipo di polarizzazione che è intrinseca alle molecole polari, nota come polarizzazione dell'orientamento, o può essere indotta in qualsiasi molecola capace di distorsione nucleare asimmetrica, chiamata polarizzazione di distorsione. La polarizzazione dell'orientamento ha origine da un dipolo permanente, come quello formato dall'angolo di 104,45° tra i legami asimmetrici ossigeno-idrogeno in una molecola d'acqua, che mantiene la sua polarizzazione anche senza un campo elettrico esterno. La disposizione collettiva di questi singoli dipoli genera una polarizzazione macroscopica.

Dopo l'applicazione di un campo elettrico esterno, la distanza di intercarica all'interno di ciascun dipolo permanente, che è intrinsecamente legata al legame chimico, rimane invariata durante la polarizzazione dell'orientamento. Tuttavia, la direzione della polarizzazione subisce una rotazione. Questo processo rotazionale si svolge su una scala temporale determinata dalla coppia molecolare e dalla viscosità locale del mezzo circostante. A causa della natura non istantanea di questa rotazione, le polarizzazioni dipolari mostrano una risposta ridotta ai campi elettrici a frequenze più elevate. Ad esempio, una molecola in un fluido ruota tipicamente di circa 1 radiante per picosecondo, portando questa perdita di risposta a circa 10¹¹ Hz, che rientra nello spettro delle microonde. Il ritardo intrinseco nella risposta ai cambiamenti del campo elettrico genera di conseguenza attrito e calore.

Quando un campo elettrico esterno viene applicato a frequenze infrarosse o inferiori, il campo induce flessione e stiramento nelle molecole, alterando così il loro momento di dipolo molecolare. La frequenza approssimativa della vibrazione molecolare è inversamente proporzionale al tempo richiesto per la deformazione molecolare. Di conseguenza, questa distorsione della polarizzazione cessa di essere significativa al di sopra della gamma degli infrarossi.

Polarizzazione ionica

La polarizzazione ionica è un tipo di polarizzazione risultante dallo spostamento relativo tra ioni positivi e negativi all'interno di cristalli ionici, come il cloruro di sodio (NaCl).

Quando un cristallo o una molecola comprende atomi di più tipi, la distribuzione della carica attorno a un atomo all'interno di quella struttura tende verso il positivo o il negativo. Di conseguenza, quando le vibrazioni reticolari o molecolari inducono spostamenti atomici relativi, anche i centroidi delle cariche positive e negative si spostano. Le posizioni di questi centri di carica sono influenzate dalla simmetria inerente a questi spostamenti. Quando questi centri divergono, all'interno delle molecole o dei cristalli emerge un fenomeno noto come polarizzazione. Questo tipo specifico di polarizzazione è chiamato polarizzazione ionica.

La polarizzazione ionica contribuisce all'effetto ferroelettrico, insieme alla polarizzazione dipolare. Una transizione ferroelettrica risultante dall'allineamento degli orientamenti dei dipoli permanenti lungo una direzione specifica è denominata transizione di fase ordine-disordine. Al contrario, una transizione indotta da polarizzazioni ioniche all'interno di strutture cristalline viene definita transizione di fase dislocativa.

Celle biologiche

All'interno delle cellule biologiche, la polarizzazione ionica facilita la sintesi di composti ad alta energia, esemplificati dalla pompa protonica nei mitocondri. Inoltre, sulla membrana plasmatica, è fondamentale per stabilire il potenziale di riposo, consentendo il trasporto di ioni energeticamente sfavorevole e mediando la comunicazione intercellulare, ad esempio attraverso la Na+/K+-ATPasi.

Le cellule dei tessuti animali mostrano universalmente una polarizzazione elettrica, il che significa che sostengono un differenziale di voltaggio attraverso la loro membrana plasmatica, chiamato potenziale di membrana. Questa polarizzazione elettrica deriva da un'interazione complessa tra vari trasportatori ionici e canali ionici.

All'interno dei neuroni, la distribuzione dei tipi di canali ionici attraverso la membrana varia tipicamente tra regioni cellulari distinte, conferendo così proprietà elettriche uniche ai dendriti, agli assoni e al corpo cellulare. Di conseguenza, alcuni segmenti di una membrana neuronale possono essere eccitabili, nel senso che possono generare potenziali d'azione, mentre altri rimangono non eccitabili.

Dispersione dielettrica

Nel campo della fisica, la dispersione dielettrica si riferisce al fenomeno in cui la permettività di un materiale dielettrico varia con la frequenza di un campo elettrico incidente. A causa di un ritardo temporale tra le alterazioni della polarizzazione e le corrispondenti variazioni del campo elettrico, la permettività del dielettrico è caratterizzata come una funzione complessa della frequenza del campo elettrico. Questo fenomeno riveste un'importanza significativa per le applicazioni pratiche dei materiali dielettrici e per l'analisi completa dei sistemi di polarizzazione.

Ciò rappresenta una manifestazione specifica del fenomeno più ampio chiamato dispersione del materiale, che descrive la risposta dipendente dalla frequenza di un mezzo alla propagazione delle onde.

A frequenze più elevate:

1. ^{polarizzazione dipolare} diventa incapace di tracciare le oscillazioni del campo elettrico all'interno della gamma di frequenze delle microonde, circa 10¹⁰ Hz.
La
2. ^{polarizzazione ionica} e la polarizzazione della distorsione molecolare cessano di rispondere al campo elettrico oltre la regione dell'infrarosso o dell'infrarosso lontano, in genere intorno a 10¹³ Hz.
3. ^{La polarizzazione elettronica} perde la sua reattività nella gamma di frequenze ultraviolette, circa 10¹⁵ Hz.

Alle frequenze che superano lo spettro ultravioletto, la permettività di tutte le sostanze converge verso il valore costante ε§23§, che rappresenta la permettività dello spazio libero (ε§67§). Dato che la permettività quantifica la forza dell'interazione tra un campo elettrico e la polarizzazione, una riduzione della reattività di un processo di polarizzazione porta direttamente a una diminuzione della permettività.

Rilassamento dielettrico

Rilassamento dielettrico si riferisce al ritardo transitorio o al ritardo osservato nella costante dielettrica di un materiale. Questo fenomeno deriva tipicamente dalla risposta ritardata della polarizzazione molecolare a un campo elettrico fluttuante all'interno di un mezzo dielettrico, come all'interno di condensatori o tra grandi superfici conduttrici. Il comportamento del rilassamento dielettrico nei campi elettrici dinamici può essere paragonato all'isteresi magnetica osservata in vari campi magnetici, ad esempio all'interno dei nuclei dell'induttore o del trasformatore. In generale, il rilassamento denota un ritardo o ritardo nella risposta di un sistema lineare; di conseguenza, il rilassamento dielettrico viene quantificato rispetto ai valori dielettrici lineari previsti allo stato stazionario (equilibrio).

Nel campo della fisica, il rilassamento dielettrico denota il comportamento reattivo di un materiale dielettrico quando sottoposto a un campo elettrico oscillante esterno. Questo fenomeno è spesso caratterizzato dalla permettività in funzione della frequenza, una relazione che, nei sistemi ideali, può essere modellata con precisione utilizzando l'equazione di Debye. Al contrario, le distorsioni derivanti dalla polarizzazione ionica ed elettronica presentano caratteristiche tipiche dei fenomeni di risonanza o oscillatore. La natura specifica di questo processo di distorsione dipende dalla struttura intrinseca del campione, dalla composizione chimica e dalle condizioni ambientali.

Debye relax

In particolare, il rilassamento di Debye descrive la risposta dielettrica osservata in un insieme ideale di dipoli non interagenti quando esposto a un campo elettrico esterno alternato. Questo fenomeno è tipicamente quantificato dalla permettività complessa ε del materiale, rappresentata in funzione della frequenza angolare del campo applicato ω:

ε<!-- ε --> ^<!-- ^ --> ( ω<!-- ω --> ) = ε<!-- ε --> ∞<!-- ∞ --> + Δ<!-- Δ --> ε<!-- ε --> §5051§ + io ω τ = ε ′ + io ε ″ , {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }}=\varepsilon '+i\varepsilon '',}

In questa equazione, ε_∞ rappresenta la permettività al limite delle alte frequenze, Δε è definito come ε_s − ε_∞ dove ε_s denota la permettività statica a bassa frequenza e τ indica il tempo di rilassamento caratteristico inerente al mezzo. Scomposizione della complessa permettività dielettrica nella sua componente reale, ${\displaystyle \varepsilon '}$ e la sua componente immaginaria, ${\displaystyle \varepsilon ''}$, risulta in:

È importante notare che l'equazione per ${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )}$ può occasionalmente contenere §3940§ − i ω τ {\displaystyle 1-i\omega \tau } nel suo denominatore. Questa variazione deriva da una persistente ambiguità della convenzione dei segni nella rappresentazione della dipendenza dal tempo del campo elettrico complesso. Nello specifico, alcune fonti accademiche utilizzano ${\displaystyle \exp(-i\omega t)}$, mentre altri utilizzano ${\displaystyle \exp(+i\omega t)}$. Secondo la prima convenzione, le componenti reale e immaginaria, ε<!-- ε --> ′ {\displaystyle \varepsilon ' e ε<!-- ε --> ″ {\displaystyle \varepsilon ''} rispettivamente, sono definiti da ε<!-- ε --> ^<!-- ^ --> ( ω<!-- ω --> ) = ε <!-- ε -->′ + i ε ″<!-- ε --> {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '+i\varepsilon ''} .Al contrario, quest'ultima convenzione li specifica come ε ^<!-- ε --> <!-- ^ --> ( ω ) <!-- ω -->= ε ′ <!-- ε -->− i ε<!-- − --> ″ {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '-i\varepsilon ''}<!-- ε --> . L'equazione a cui si fa riferimento in precedenza aderisce a quest'ultima convenzione.

La perdita dielettrica è caratterizzata anche dalla tangente di perdita:

$${\displaystyle \tan(\delta )={\frac {\varepsilon ''}{\varepsilon '}}={\frac {\left(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }\right)\omega \tau }{\varepsilon _{s}+\varepsilon _{\infty }\omega ^{2}\tau ^{2}}}}$$

Il modello di rilassamento di Debye, introdotto dal fisico Peter Debye nel 1913, caratterizza i processi di polarizzazione dinamica che mostrano un unico tempo di rilassamento.

Varianti dell'equazione di Debye

Equazione di Cole-Cole

Questa equazione viene applicata quando il picco di perdita dielettrica presenta un allargamento simmetrico.

Equazione di Cole-Davidson

Questa equazione viene utilizzata per situazioni in cui il picco di perdita dielettrica mostra un allargamento asimmetrico.

Rilassamento Havriliak-Negami

Questa equazione tiene conto sia dei fenomeni di allargamento simmetrico che asimmetrico.

Funzione Kohlrausch–Williams–Watt

Questa funzione rappresenta la trasformata di Fourier di una funzione esponenziale allungata.

Legge Curie–von Schweidler

Questa legge descrive la risposta dei materiali dielettrici a un campo di corrente continua (CC) applicato, indicando un comportamento coerente con una legge di potenza, che può essere formulata come funzioni esponenziali integrali sovra ponderate.

Approssimazione Djordjevic–Sarkar

Questa approssimazione viene utilizzata quando la perdita dielettrica rimane approssimativamente costante su un ampio spettro di frequenze.

Paraelettricità

La paraelettricità denota il comportamento caratteristico dei dielettrici in cui il tensore di permettività dielettrica è proporzionale alla matrice unitaria. Ciò implica che un campo elettrico esterno induce polarizzazione e/o allineamento di dipoli esclusivamente paralleli al campo applicato. A differenza dei materiali paramagnetici, le sostanze paraelettriche non necessitano della presenza di dipoli elettrici permanenti. Dopo la rimozione dei campi esterni, la polarizzazione dipolare ritorna a zero. I meccanismi sottostanti che contribuiscono al comportamento paraelettrico includono la distorsione dei singoli ioni (manifestata come lo spostamento della nuvola di elettroni dal nucleo) e la polarizzazione di molecole, combinazioni ioniche o difetti reticolari.

La paraelettricità può manifestarsi in fasi cristalline in cui i dipoli elettrici sono inizialmente non allineati, possedendo quindi la capacità di allinearsi sotto un campo elettrico esterno e di conseguenza attenuarlo.

La maggior parte dei materiali dielettrici presenta proprietà paraelettriche. Il titanato di stronzio costituisce un notevole esempio di materiale paraelettrico caratterizzato da un'elevata costante dielettrica.

Il cristallo LiNbO₃ mostra un comportamento ferroelettrico al di sotto di 1430 K; tuttavia il superamento di tale temperatura induce una trasformazione in una fase paraelettrica disordinata. Analogamente, anche altri materiali perovskiti mostrano paraelettricità a temperature elevate.

La paraelettricità presenta un potenziale meccanismo per applicazioni di refrigerazione. In condizioni adiabatiche, l'applicazione di un campo elettrico ad un materiale paraelettrico induce un aumento di temperatura, mentre la sua rimozione porta ad una diminuzione della temperatura. Un ciclo di refrigerazione potrebbe essere ottenuto attraverso un design a pompa di calore che prevede la polarizzazione del paraelettrico, consentendogli di equilibrarsi alla temperatura ambiente dissipando il calore in eccesso, ponendolo successivamente in contatto termico con l'oggetto target e quindi depolarizzandolo.

Personalizzazione

Dielettrici accordabili sono materiali isolanti caratterizzati da una permettività che varia in risposta a un campo elettrico applicato.

Titanato di stronzio (SrTiO
§6^7§) è tipicamente impiegato in applicazioni a bassa temperatura, mentre il titanato di bario e stronzio (Ba
_1−xSr
_xTiO
§35^36§) funge da alternativa per i dispositivi che funzionano a temperatura ambiente. Altri materiali candidati comprendono dielettrici a microonde e compositi di nanotubi di carbonio (CNT).

Nel 2013, un materiale dielettrico in grado di funzionare a frequenze fino a 125 GHz è stato fabbricato utilizzando strati multistrato di titanato di stronzio intercalati con singoli strati di ossido di stronzio. Questo materiale è stato sintetizzato mediante epitassia a fascio molecolare. La mancata corrispondenza cristallografica tra questi due componenti induce tensione all'interno degli strati di titanato di stronzio, riducendo di conseguenza la loro stabilità e sintonizzabilità.

Materiali come Ba
_1−xSr
_xTiO
§24^25§ mostrano una transizione di fase paraelettrica-ferroelettrica leggermente al di sotto della temperatura ambiente, che contribuisce alla loro elevata accordabilità. Tuttavia, le pellicole sottili di questi materiali spesso subiscono perdite sostanziali a causa di difetti intrinseci.

Applicazioni

Condensatori

I condensatori commerciali incorporano comunemente un materiale dielettrico solido che possiede un'elevata permettività, che funge da mezzo intermedio che separa le cariche positive e negative immagazzinate. Nel linguaggio tecnico, questo materiale viene spesso definito dielettrico del condensatore.

Uno dei principali vantaggi derivanti dall'utilizzo di tale materiale dielettrico è il suo ruolo nel prevenire il contatto elettrico diretto tra le piastre conduttrici, dove si accumulano le cariche. Fondamentalmente, un'elevata permettività consente l'immagazzinamento di una quantità di carica maggiore per una tensione specifica. Questo principio è dimostrabile considerando un dielettrico lineare con permettività ε e spessore d posizionato tra due piastre conduttrici, ciascuna delle quali presenta una densità di carica uniforme σ_ε. In queste condizioni, la densità di carica è definita come:

$${\displaystyle \sigma _{\varepsilon }=\varepsilon {\frac {V}{d}}}$$

Di conseguenza, la capacità per unità di area è espressa come:

$${\displaystyle c={\frac {\sigma _{\varepsilon }}{V}}={\frac {\varepsilon }{d}}}$$

Queste relazioni dimostrano chiaramente che una maggiore permettività, ε, si traduce in una maggiore carica immagazzinata e, di conseguenza, una maggiore capacità.

I materiali dielettrici selezionati per le applicazioni dei condensatori sono anche caratterizzati dalla loro resistenza alla ionizzazione. Questa proprietà consente al condensatore di funzionare a tensioni elevate senza che il dielettrico isolante si ionizzi e inizi un flusso di corrente indesiderato.

Risonatore dielettrico

Un oscillatore risonatore dielettrico (DRO) costituisce un componente elettronico che dimostra una risposta di polarizzazione risonante all'interno di una banda di frequenza stretta, tipicamente nello spettro delle microonde. È composto da un disco ceramico caratterizzato da un'elevata costante dielettrica e da un basso fattore di dissipazione. Questi risonatori vengono spesso impiegati per stabilire un riferimento di frequenza stabile all'interno dei circuiti dell'oscillatore. Inoltre, un risonatore dielettrico non schermato può funzionare come un'antenna di risonatore dielettrico (DRA).

Film sottili BST

Il Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti (ARL) ha condotto ricerche sulla tecnologia a film sottile dal 2002 al 2004. Questa indagine si è concentrata sul titanato di bario stronzio (BST), un film sottile ferroelettrico, per il suo potenziale nella fabbricazione di componenti a radiofrequenza e microonde, inclusi oscillatori controllati in tensione, filtri sintonizzabili e sfasatori.

Questa ricerca mirava a dotare l'esercito di materiali altamente sintonizzabili e compatibili con le microonde adatti per campi elettrici sintonizzabili a banda larga. dispositivi, garantendo un funzionamento coerente a temperature estreme. Il progetto ha migliorato la possibilità di regolazione del titanato di bario-stronzio in massa, un materiale cruciale per realizzare componenti elettronici a film sottile.

Un documento di ricerca del 2004 dei ricercatori dell'ARL statunitense ha studiato l'impatto significativo di piccole concentrazioni di droganti accettori sulle proprietà dei materiali ferroelettrici come il BST.

I ricercatori hanno introdotto droganti di magnesio nei film sottili di BST, analizzando successivamente la struttura risultante, la microstruttura, la morfologia superficiale e la composizione del film/substrato. qualità. I film BST drogati con magnesio hanno mostrato proprietà dielettriche migliorate, corrente di dispersione ridotta e accordabilità favorevole, suggerendo la loro potenziale applicazione nei dispositivi accordabili a microonde.

Materiali dielettrici pratici

I materiali dielettrici comprendono solidi, liquidi e gas. In particolare, l'alto vuoto può anche funzionare come un dielettrico altamente efficace, quasi senza perdite, nonostante possieda una costante dielettrica relativa pari a unità.

Nell'ingegneria elettrica, i dielettrici solidi sono probabilmente i più diffusi, con numerosi solidi che fungono da eccellenti isolanti; gli esempi includono porcellana, vetro e la maggior parte della plastica. Tra i dielettrici gassosi, l'aria, l'azoto e l'esafluoruro di zolfo sono quelli utilizzati più frequentemente.

• I rivestimenti industriali, come il parylene, stabiliscono una barriera dielettrica che separa il substrato dall'ambiente circostante.
• L'olio minerale è ampiamente utilizzato all'interno dei trasformatori elettrici, fungendo sia da fluido dielettrico che da agente di raffreddamento. I fluidi dielettrici che possiedono costanti dielettriche più elevate, come l'olio di ricino di grado elettrico, vengono spesso incorporati nei condensatori ad alta tensione per mitigare la scarica corona e aumentare la capacità.
• A causa della loro resistenza al flusso di corrente elettrica, le superfici dielettriche possono accumulare cariche elettriche incagliate in eccesso. Questo fenomeno può verificarsi inavvertitamente per attrito, noto come effetto triboelettrico. Sebbene sia utile in applicazioni come i generatori Van de Graaff o gli elettrofori, può anche essere dannoso, come si osserva negli eventi di scariche elettrostatiche.
• Dielettrici appositamente progettati, chiamati elettrete (distinti dai ferroelettrici), sono in grado di trattenere una carica interna in eccesso o una polarizzazione "congelata". Gli elettreti possiedono un campo elettrico semipermanente, funzionando come analoghi elettrostatici dei magneti. Questi materiali trovano ampie applicazioni pratiche sia in ambienti domestici che industriali, esemplificati dal loro utilizzo nei microfoni a elettrete presenti nei telefoni, nelle cuffie e nei videoregistratori.
• Alcuni dielettrici mostrano la capacità di generare una differenza di potenziale quando sottoposti a stress meccanico o, al contrario, di alterare la loro forma fisica quando viene applicata una tensione esterna ai loro capi. Questa caratteristica è nota come piezoelettricità, rendendo i materiali piezoelettrici una categoria di dielettrici particolarmente preziosa.
• In alcuni cristalli ionici e dielettrici polimerici si osserva un momento di dipolo spontaneo, reversibile da un campo elettrico applicato esternamente. Questo fenomeno è chiamato effetto ferroelettrico. Questi materiali mostrano un comportamento analogo ai materiali ferromagnetici all'interno di un campo magnetico esterno. I materiali ferroelettrici possiedono spesso costanti dielettriche eccezionalmente elevate, che li rendono altamente adatti per applicazioni con condensatori.

Riferimenti

Riferimenti

Jackson, John David (10 agosto 1998) [1962]. Elettrodinamica classica (3a ed.). John Wiley & Figli. ISBN 978-0-471-30932-1. OCLC 535998.

• Jackson, John David (10 agosto 1998) [1962]. Elettrodinamica classica (3a ed.). John Wiley & Figli. ISBN 978-0-471-30932-1. OCLC 535998.Scaife, Brendan K. P. (3 settembre 1998). Principles of Dielectrics. Monografie sulla fisica e la chimica dei materiali (2a ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-198-56557-4.
  • Lezione di Feynman sui dielettrici
  • Diffusione del pacchetto di insegnamento e apprendimento IT per la promozione della scienza dei materiali (DoITPoMS) "Materiali dielettrici" dell'Università di Cambridge
  • Testi su Wikisource:
    • "Dielettrico". Enciclopedia Americana. 1920."Dielettrico". Encyclopædia Britannica (11a edizione). 1911.Fonte: Archivio TORIma Accademia