Le cariche interagiscono l'una con l'altra in diversi mezzi con forze variabili, che sono governate dalla legge di Coulomb. Una quantità chiamata costante dielettrica determina le proprietà di questi mezzi.
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Qual è la permittività dielettrica
Secondo Legge di Coulombci sono due cariche stazionarie puntiformi q1 e q2 nel vuoto interagiscono con la forza data dalla formula Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), dove:
- Fcl - è la forza di Coulomb, N;
- q1, q2 - sono moduli di cariche, kl;
- r è la distanza tra le cariche, m;
- ε0 - costante elettrica, 8,85*10-12 F/m (Farad per metro).
Se l'interazione non avviene nel vuoto, la formula include un'altra quantità che determina l'effetto della sostanza sulla forza di Coulomb, e la notazione della legge di Coulomb appare così
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Questa quantità è indicata dalla lettera greca ε (epsilon) ed è senza dimensione (non ha unità di misura). La costante dielettrica è il coefficiente di attenuazione dell'interazione delle cariche nella materia.
Spesso in fisica la costante dielettrica è usata insieme alla costante elettrica, nel qual caso è conveniente introdurre il concetto di costante dielettrica assoluta. Questo è indicato con εa ed è uguale a εa= ε* ε. In questo caso la permeabilità assoluta è nella dimensione F/m. La permeabilità normale ε è chiamata anche permeabilità relativa per distinguerla da εa.
La natura della permittività dielettrica
La natura della permittività dielettrica si basa sul fenomeno della polarizzazione sotto l'azione di un campo elettrico. La maggior parte delle sostanze sono in generale elettricamente neutre, anche se contengono particelle cariche. Queste particelle sono disposte caoticamente in una massa di materia e i loro campi elettrici in media si neutralizzano a vicenda.
I dielettrici contengono soprattutto cariche legate (chiamate dipoli). Questi dipoli sono convenzionalmente fasci di due particelle dissimili che si orientano spontaneamente lungo lo spessore del dielettrico e creano in media un'intensità di campo elettrico nulla. Sotto l'azione di un campo esterno, i dipoli tendono a orientarsi secondo la forza applicata. Questo crea un ulteriore campo elettrico. Fenomeni simili si verificano in dielettrici non polari.
I conduttori funzionano in modo simile, ma hanno cariche libere che sono separate da un campo esterno e possono produrre un proprio campo elettrico. Questo campo è diretto contro il campo esterno, schermando le cariche e riducendo la forza della loro interazione. Maggiore è la capacità di polarizzazione di una sostanza, maggiore è ε.
Costante dielettrica di diverse sostanze
Sostanze diverse hanno diverse permittività dielettriche. Il valore di ε per alcuni di loro è mostrato nella tabella 1. Ovviamente, questi valori sono maggiori dell'unità, quindi l'interazione delle cariche, rispetto al vuoto, diminuisce sempre. Inoltre è necessario notare che per l'aria ε è un po' più dell'unità, quindi l'interazione delle cariche in aria praticamente non differisce dall'interazione nel vuoto.
Tabella 1. Valori di permeabilità elettrica per diverse sostanze.
| Sostanza | Permittività |
|---|---|
| Bakelite | 4,5 |
| Carta | 2,0..3,5 |
| Acqua | 81 (a +20°C) |
| Aria | 1,0002 |
| Germanio | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Legno | 2.7..7.5 (vari gradi) |
| Ceramica Ceramica radiofonica | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vetro | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistirolo | 2,5 |
| Cloruro di polivinile | 3 |
| Fluoroplastica | 2,1 |
| Ambra | 2,7 |
Costante dielettrica e capacità di un condensatore
Conoscere il valore di ε è importante nella pratica, per esempio nella progettazione di condensatori elettrici. Il loro capacità dipende dalle dimensioni geometriche degli inserti, dalla distanza tra loro e dalla costante dielettrica del dielettrico.
Se volete fare un condensatore un condensatore Se gli elettrodi hanno una capacità maggiore, allora aumentando l'area delle coperture aumenta la dimensione. Ci sono anche limitazioni pratiche sulla riduzione della distanza tra gli elettrodi. In questo caso l'uso di un isolante con una costante dielettrica aumentata può aiutare. Se si usa un materiale con un ε più alto, la dimensione degli elettrodi può essere ridotta o la distanza tra gli elettrodi può essere aumentata senza perdere capacità elettrica.
Una categoria separata di materiali è chiamata ferroelettrica che può esibire una polarizzazione spontanea in certe condizioni. Sono caratterizzati da due cose nel campo in esame:
- grandi valori di permittività dielettrica (i valori tipici vanno da centinaia a diverse migliaia);
- la capacità di controllare il valore della permittività dielettrica cambiando il campo elettrico esterno.
Queste proprietà sono utilizzate per fare condensatori ad alta capacità (aumentando la costante dielettrica dell'isolante) con piccole dimensioni.
Questi dispositivi funzionano solo in circuiti AC a bassa frequenza - con l'aumentare della frequenza la loro costante dielettrica diminuisce. Un'altra applicazione dei dielettrici segmentati sono i condensatori variabili, le cui caratteristiche cambiano sotto l'influenza di un campo elettrico applicato con parametri variabili.
permittività dielettrica e perdite dielettriche
Le perdite dielettriche, la parte di energia che si perde nel dielettrico in calore, dipendono anche dalla costante dielettrica. Il parametro tg δ, la tangente dell'angolo di perdita dielettrica, è comunemente usato per descrivere queste perdite. Caratterizza la potenza delle perdite dielettriche in un condensatore in cui il dielettrico è fatto di un materiale con un tg δ disponibile. E la perdita di potenza specifica per ogni sostanza è definita dalla formula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, dove
- p è la potenza specifica di perdita, W;
- ώ=2*π*f - frequenza circolare del campo elettrico;
- E - intensità del campo elettrico, V/m.
È ovvio che più alta è la permittività dielettrica, più alte sono le perdite nel dielettrico, a parità di altre condizioni.
Dipendenza della permittività dielettrica da fattori esterni
Bisogna notare che il valore della permittività dielettrica dipende dalla frequenza del campo elettrico (in questo caso, la frequenza della tensione applicata alle strisce). Con l'aumento della frequenza il valore di ε per molte sostanze scende. Questo effetto è pronunciato per i dielettrici polari. Questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che le cariche (dipoli) non hanno più tempo per seguire il campo. Per le sostanze caratterizzate dalla polarizzazione ionica o elettronica, la dipendenza dalla frequenza della costante dielettrica è piccola.
Ecco perché la selezione dei materiali per fare il dielettrico di un condensatore è così importante. Ciò che funziona alle basse frequenze non produrrà necessariamente un buon isolamento alle alte frequenze. Il più delle volte, i dielettrici non polari sono usati come isolanti alle alte frequenze.
La costante dielettrica dipende anche dalla temperatura e varia da sostanza a sostanza. Nei dielettrici non polari, diminuisce con l'aumentare della temperatura. In questo caso si parla di coefficiente di temperatura negativo della capacità (TKE) per condensatori fatti con un tale isolante La capacità cade con l'aumentare della temperatura dopo ε. In altre sostanze la permeabilità aumenta con l'aumentare della temperatura, e si possono ottenere condensatori con un TKE positivo. Accoppiando condensatori con TKE opposti, si può ottenere una capacità termostabile.
Capire e conoscere la costante dielettrica di varie sostanze è importante per scopi pratici. E la capacità di controllare il livello della costante dielettrica dà ulteriori prospettive tecniche.
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