Materiali Dielettrici: Definizione, Proprietà e Applicazioni
Un materiale dielettrico è definito come un isolante elettrico che può essere polarizzato da un campo elettrico applicato. Ciò significa che quando un materiale dielettrico è posto in un campo elettrico, non consente la corrente elettrica di fluire attraverso di esso, ma allinea invece i suoi dipoletti elettrici interni (coppie di cariche opposte) nella direzione del campo. Questo allineamento riduce il campo elettrico complessivo all'interno del materiale dielettrico e aumenta la capacità di un condensatore che lo utilizza.
Come funzionano i materiali dielettrici?
Per comprendere come funzionano i materiali dielettrici, dobbiamo conoscere alcuni concetti di base dell'elettromagnetismo.
Un campo elettrico è una regione dello spazio in cui una carica elettrica sperimenta una forza. La direzione del campo elettrico è la direzione della forza su una carica positiva, e l'ampiezza del campo elettrico è proporzionale alla forza. I campi elettrici sono creati da cariche elettriche o da campi magnetici variabili.
Polarizzazione elettrica
La polarizzazione elettrica è la separazione delle cariche positive e negative all'interno di un materiale a causa di un campo elettrico esterno. Quando un materiale è polarizzato, sviluppa un momento dipolare elettrico, che è una misura di quanto le cariche siano separate e come sono allineate. Il momento dipolare elettrico di un materiale è proporzionale alla sua suscettività elettrica, che è una misura di quanto facilmente può essere polarizzato.
Capacità
La capacità è la capacità di un sistema di immagazzinare carica elettrica. Un condensatore è un dispositivo costituito da due conduttori (piastre) separati da un isolante (dielettrico). Quando una tensione viene applicata alle piastre, si crea un campo elettrico tra di esse e le cariche si accumulano su ciascuna piastra. La capacità di un condensatore è proporzionale all'area delle piastre, inversamente proporzionale alla distanza tra di esse e direttamente proporzionale alla costante dielettrica dell'isolante.
Proprietà dei materiali dielettrici
Alcune proprietà importanti dei materiali dielettrici sono:
Costante dielettrica: Questa è una quantità adimensionale che indica quanto un materiale aumenta la capacità di un condensatore rispetto al vuoto. È anche chiamata permettività relativa o rapporto di permettività. La costante dielettrica del vuoto è 1, e quella dell'aria è circa 1,0006. Materiali con costanti dielettriche elevate includono l'acqua (circa 80), il titanato di bario (circa 1200) e il titanato di stronzio (circa 2000).
Resistenza dielettrica: Questa è il campo elettrico massimo che un materiale può sopportare senza rompersi o diventare conduttivo. Si misura in volt per metro (V/m) o kilovolt per millimetro (kV/mm). La resistenza dielettrica dell'aria è circa 3 MV/m, e quella del vetro è circa 10 MV/m.
Perdita dielettrica: Questa è la quantità di energia dissipata sotto forma di calore quando un campo elettrico alternato viene applicato a un materiale. Si misura tramite il tangente di perdita o fattore di dissipazione, che è il rapporto tra la parte immaginaria e la parte reale della permittività complessa. La perdita dielettrica dipende dalla frequenza e dalla temperatura del campo elettrico, nonché dalla struttura e purezza del materiale. I materiali con bassa perdita dielettrica sono desiderabili per applicazioni che richiedono alta efficienza e basso riscaldamento.
Tipi ed esempi di materiali dielettrici
I materiali dielettrici possono essere classificati in diversi tipi in base alla loro struttura molecolare e al meccanismo di polarizzazione. Alcuni tipi comuni ed esempi sono:
Vuoto: Questo è l'assenza di materia e quindi non ha polarizzazione. Ha una costante dielettrica di 1 e nessuna perdita dielettrica.
Gas: Questi sono composti da atomi o molecole che sono legati in modo scarso e possono muoversi liberamente. Hanno costanti dielettriche basse (vicine a 1) e basse perdite dielettriche. Esempi includono aria, azoto, elio e esafluoruro di zolfo.
Liquidi: Questi sono composti da molecole che sono più strettamente legate dei gas ma possono ancora muoversi. Hanno costanti dielettriche superiori ai gas (da 2 a 80) e perdite dielettriche superiori. Esempi includono acqua, olio di trasformatore, etanolo e glicerolo.
Solidi: Questi sono composti da atomi o molecole fortemente legati in posizioni fisse. Hanno costanti dielettriche superiori ai liquidi (da 3 a 2000) e perdite dielettriche superiori. Esempi includono vetro, ceramiche, plastica, gomma, carta, mica e quarzo.
Applicazioni dei materiali dielettrici
I materiali dielettrici hanno molte applicazioni in vari campi della scienza e dell'ingegneria. Alcuni esempi sono:
Condensatori: Questi sono dispositivi che immagazzinano carica elettrica ed energia utilizzando materiali dielettrici tra due conduttori. I condensatori sono utilizzati per filtraggio, smoothing, temporizzazione, accoppiamento, decoupling, accordo, sensore e conversione di potenza nei circuiti elettronici.
Isolanti: Questi sono materiali che impediscono la corrente elettrica di fluire attraverso di essi utilizzando la loro alta resistenza e alta resistenza dielettrica. Gli isolanti sono utilizzati per proteggere, isolare, supportare e separare componenti elettrici e fili.
Trasduttori: Questi sono dispositivi che convertono una forma di energia in un'altra utilizzando materiali dielettrici che esibiscono piezoelettricità o elettrostrizione. La piezoelettricità è la proprietà di alcuni materiali di generare tensione elettrica quando sottoposti a stress meccanico o viceversa. L'elettrostrizione è la proprietà di alcuni materiali di cambiare la loro forma o dimensioni quando sottoposti a un campo elettrico o viceversa. I trasduttori sono utilizzati per generare, rilevare, misurare e controllare onde sonore, onde ultrasonore, vibrazioni, pressione, forza, spostamento, temperatura, ecc.
Dispositivi fotonici: Questi sono dispositivi che manipolano onde luminose utilizzando materiali dielettrici che esibiscono proprietà ottiche come rifrazione, riflessione, assorbimento, scattering, dispersione, birifrangenza, ecc. I dispositivi fotonici sono utilizzati per trasmettere, ricevere, modulare, commutare, filtrare, amplificare, dividere, combinare, memorizzare, elaborare, visualizzare, immaginare, rilevare, ecc., segnali luminosi.
