Dispense del corso di Elementi di Fisica della Materia - Skuola.net

20 CAPITOLO 2. DIELETTRICI
(nell’ipotesi che esso rimanga costante all’interno del dielettrico). Inoltre, si
verifica anche che la V0/Vκ = κ > 1 dipende esclusivamente dal materiale,
ma non dalla forma del condensatore (si sarebbe ricavato lo stesso risultato
anche se si fosse considerato un condensatore cilindrico o sferico) e dalla carica
accumulata sulle armature (tali esperienze fuorno condotte per la prima
volta in modo sistematico da Faraday nel 1831). Definiamo κ come costante
dielettrica relativa del materiale, e ɛ = κɛ0 come costante dielettrica assoluta.
Dal contesto sperimentale si evince che la costante dielettrica κ è sempre
maggiore o al limite uguale ad uno. Dalla relazione V0/Vκ = κ ricaviamo
E0/Eκ = κ, e Cκ = κC0, quindi il campo elettrico nel dielettrico diminuisce
rispetto al vuoto, mentre la capacità del condensatore è aumentata. Capiremo
i motivi fisici quando affronteremo la trattazione a livello microscopico
dei dielettrici. Le unità di misura di κ e ɛ sono, rispettivamente, nessuna
(adimensionale) e F/m (come ɛ0). Valori tipici di κ sono circa 2-5 per i solidi
isolanti, 1 per l’aria, alta per i liquidi polari (28 per l’alcol etilico e 80 per
l’acqua).
Un dielettrico non può sopportare al suo interno campi oltre un certo
limite. Tale limite viene definito rigidità dielettrica ed è dell’ordine tipicamente
di 10 6 V/m. Oltre di esso, avvengono fenomeni di scarica che
danneggiano irreversibilmente il materiale nel caso in cui esso sia solido.
2.2 Meccanismi di polarizzazione
A livello microscopico un dielettrico è sostanzialmente diverso da un conduttore.
Difatti in quest’ultimo esistono cariche libere di muoversi al suo interno,
gli elettroni. Di contro, nel dielettrico gli elettroni rimangono fortemente legati
ai nuclei atomici. Quando un dielettrico si trova in un campo elettrico,
gli elettroni risentono della presenza del campo e si spostano di un piccolissimo
tratto (dell’ordine di 10 −15 m per campi intorno a pochi V/m), essendo
essi legati ai nuclei. Tale spostamento viene però effettuato in contemporanea
dal grandissimo numero di elettroni presenti nel dielettrico (tipicamente
10 25 per unità di volume nei gas e 10 28 nei solidi) e si misurano così degli
effetti. Questo movimento degli elettroni produce uno scompenso della distribuzione
di carica negli atomi, fenomeno noto come polarizzazione. I due
fondamentali meccanismi di polarizzazione sono elencati qui di seguito.
• Elettronica. In un atomo neutro in assenza di campi elettrici esterni,
il centro delle cariche positive, il nucleo, coincide con quello delle
cariche negative, ossia quello della nuvola elettronica. Difatti il mo-