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

2.2. MECCANISMI DI POLARIZZAZIONE 21
to dell’elettrone 1 intorno al nucleo è così rapido da, anche per piccoli
intervalli di tempo, occupare in modo uniforme lo spazio intorno al
nucleo con un raggio R 10 −10 m. In presenza di un campo elettrico,
gli elettroni subiscono uno spostamento in direzione opposta al
campo, viceversa il nucleo, carico positivamente, si muove nella stessa
direzione del campo. Va notato tuttavia che lo spostamento nucleare
è da considerarsi trascurabile, in quanto, anche nel più leggero degli
atomi, l’idrogeno, il nucleo ha massa circa duemila volte maggiore. Di
conseguenza noi trascureremo gli spostamenti del nucleo degli atomi
nel seguito del corso. La separazione tra il centro delle cariche positive
e negative produce un momento di dipolo atomico
pa = Zex,
dove Z è il numero atomico (ossia il numero uguale di protoni ed elettroni),
e la carica dell’elettrone, e x il vettore orientato dal centro delle
cariche negative verso quello delle cariche postive. In particolare, quando
il campo esterno viene spento, i due centri tornano a coincidere e la
polarizzazione si annulla.
• Orientamento. In diverse sostanze, ad esempio l’acqua, sono presenti
molecole polari. Esse sono molecole che per effetto della loro geometria
e delle diverse proprietà chimiche degli atomi di cui sono composti, presentano
una separazione del centro di cariche positive e negative anche
in assenza di un campo elettrico esterno. Ognuna di tali molecole possiede
quindi un momento di dipolo permanente p0. In assenza di campi
esterni tali dipoli molecolari sono orientati a caso per effetto dell’agitazione
termica e hanno un momento complessivo nullo. In presenza
di un campo esterno, essi tenderanno ad orientarsi nella stessa direzione
del campo acquistando così un momento di dipolo complessivo non
nullo. Tale tendenza è tanto più marcata quanto più intenso e il campo
esterno e più bassa è la temperatura, in quanto si riduce l’agitazione
termica che si oppone all’allineamento indotto dal campo esterno.
Riassumendo, ciascun atomo o molecola acquista, per effetto di un campo
esterno, un momento di dipolo elettrico medio parallelo e concorde al campo
elettrico esterno. Nel seguito giustificheremo quantitativamente questa
affermazione limitatamente alla polarizzazione elettronica.
Consideriamo ora un punto O all’interno del dielettrico, e definiamo intorno
a tal punto una zona di volume ∆τ. In essa vi saranno ∆N atomi o
1 Consideriamo per semplicità soltanto un elettrone per volta all’interno dell’atomo e
ignorando le interazioni con gli altri elettroni all’interno dello stesso atomo.