Discussione
L’idea di base
I dielettrici sono isolanti, puro e semplice. Le due parole si riferiscono alla stessa classe di materiali, ma sono di origine diversa e sono usate preferibilmente in contesti diversi.
- Siccome le cariche tendono a non muoversi facilmente nei solidi non metallici, è possibile avere “isole” di carica nel vetro, nella ceramica e nella plastica. La parola latina per isola è insula, che è l’origine della parola isolante. Al contrario, le cariche nei solidi metallici tendono a muoversi facilmente – come se qualcuno o qualcosa le guidasse. Il prefisso latino con o com significa “con”. Una persona con cui si mangia il pane è un compagno. (La parola latina per pane è panis). Portare qualcosa con te sulla strada significa trasportarlo. (La parola latina per strada è via.) La persona con cui si viaggia che guida la strada o fornisce un passaggio sicuro è un conduttore. Un materiale che fornisce un passaggio sicuro per le cariche elettriche è un conduttore.
- Inserire uno strato di solido non metallico tra le piastre di un condensatore aumenta la sua capacità. Il prefisso greco di o dia significa “attraverso”. Una linea che attraversa gli angoli di un rettangolo è una diagonale. (La parola greca per angolo è gonia – γωνία.) La misura attraverso un cerchio è un diametro. (La parola greca per misurare è metron – μέτρον.) Il materiale posto attraverso le piastre di un condensatore come un piccolo ponte non conduttivo è un dielettrico.
Il rivestimento in plastica su un cavo elettrico è un isolante. Le piastre di vetro o di ceramica usate per sostenere le linee elettriche e impedire che vadano in cortocircuito a terra sono isolanti. Praticamente ogni volta che un solido non metallico è usato in un dispositivo elettrico è chiamato un isolante. Forse l’unica volta che la parola dielettrico viene usata è in riferimento allo strato non conduttore di un condensatore.
I dielettrici nei condensatori servono a tre scopi:
- per evitare che le piastre conduttrici entrino in contatto, consentendo separazioni di piastre più piccole e quindi capacità più elevate;
- per aumentare la capacità effettiva riducendo l’intensità del campo elettrico, il che significa che si ottiene la stessa carica ad una tensione inferiore; e
- per ridurre la possibilità di corto circuito per scintille (più formalmente noto come rottura dielettrica) durante il funzionamento ad alta tensione.
Cosa sta succedendo qui
Quando un metallo è posto in un campo elettrico gli elettroni liberi scorrono contro il campo fino a quando non esauriscono il materiale conduttore. In men che non si dica, avremo un eccesso di elettroni da una parte e un deficit dall’altra. Un lato del conduttore è diventato carico negativamente e l’altro positivamente. Rilascia il campo e gli elettroni sul lato caricato negativamente ora si trovano troppo vicini. Le cariche simili si respingono e gli elettroni si allontanano l’uno dall’altro il più velocemente possibile fino a quando non sono distribuiti uniformemente in tutto; un elettrone per ogni protone in media nello spazio che circonda ogni atomo. Un elettrone conduttore in un metallo è come un cane da corsa recintato in un pascolo. Sono liberi di scorrazzare quanto vogliono e possono correre per tutta la lunghezza, larghezza e profondità del metallo per capriccio.
La vita è molto più restrittiva per un elettrone in un isolante. Per definizione, le cariche in un isolante non sono libere di muoversi. Questo non è la stessa cosa che dire che non possono muoversi. Un elettrone in un isolante è come un cane da guardia legato ad un albero – libero di muoversi, ma entro certi limiti. Mettere gli elettroni di un isolante in presenza di un campo elettrico è come mettere un cane legato in presenza di un postino. Gli elettroni si sforzeranno contro il campo il più possibile nello stesso modo in cui il nostro ipotetico cane si sforzerà contro il suo guinzaglio il più possibile. Gli elettroni su scala atomica sono però più simili a nuvole che a cani. L’elettrone è effettivamente distribuito su tutto il volume di un atomo e non è concentrato in una sola posizione. Un buon cane atomico non si chiamerebbe Spot, suppongo.
Quando gli atomi o le molecole di un dielettrico sono posti in un campo elettrico esterno, i nuclei sono spinti con il campo con conseguente aumento della carica positiva su un lato mentre le nuvole di elettroni sono tirate contro di esso con conseguente aumento della carica negativa sull’altro lato. Questo processo è noto come polarizzazione e un materiale dielettrico in tale stato è detto polarizzato. Ci sono due metodi principali con cui un dielettrico può essere polarizzato: lo stiramento e la rotazione.
Lo stiramento di un atomo o di una molecola provoca un momento di dipolo indotto aggiunto ad ogni atomo o molecola.
La rotazione avviene solo nelle molecole polari – quelle con un momento di dipolo permanente come la molecola d’acqua mostrata nel diagramma qui sotto.
Le molecole polarizzano generalmente più fortemente delle molecole non polari. L’acqua (una molecola polare) ha una rigidità dielettrica 80 volte superiore a quella dell’azoto (una molecola non polare che è il principale componente dell’aria). Questo accade per due ragioni – una delle quali è di solito banale. Primo, tutte le molecole si allungano in un campo elettrico, che ruotino o meno. Le molecole e gli atomi non polari si allungano, mentre le molecole polari si allungano e ruotano. Questa combinazione di azioni ha solo un piccolo effetto sul grado complessivo in cui una sostanza si polarizza, tuttavia. Ciò che è più importante è che le molecole polari sono già fortemente allungate – naturalmente. Il modo in cui gli atomi di idrogeno siedono sui bracci delle nuvole di elettroni di un atomo di ossigeno distorce la molecola in un dipolo. Tutto questo avviene su scala interatomica o molecolare. A separazioni così piccole, la forza del campo elettrico è relativamente enorme per quello che altrimenti sarebbe una tensione irrilevante (13,6 V per un elettrone in un atomo di idrogeno, per esempio).
Stretching e rotazione non sono la fine della storia quando si tratta di polarizzazione. Sono solo i metodi più semplici da descrivere all’osservatore casuale. In generale, la polarizzazione di un materiale dielettrico è una deformazione elettrostatica microscopica in risposta a uno stress elettrostatico macroscopico. Un campo esterno applicato a un dielettrico non può far muovere macroscopicamente le cariche, ma può allungarle e distorcerle microscopicamente. Può spingerle in posizioni scomode e quando viene rilasciato permette loro di ricadere in uno stato rilassato. La cosa che rende la polarizzazione in un isolante diversa dallo stiramento di un corpo elastico come una molla è che eliminando lo stress non necessariamente si rilascia la tensione. Alcuni isolanti rimarranno nel loro stato polarizzato per ore, giorni, anni o addirittura secoli. I tempi caratteristici più lunghi devono essere estrapolati da osservazioni incomplete di durata più ragionevole. Nessuno ha intenzione di sedersi e aspettare duemila anni per vedere la polarizzazione di un pezzo di plastica ridursi a zero. Non vale la pena aspettare.
Infine, è piuttosto importante tenere a mente che le cariche “immagazzinate” in uno strato dielettrico non sono disponibili come un pool di cariche libere. Per estrarle, avete ancora bisogno di piastre metalliche. È importante ricordare che l’unica ragione per cui qualcuno sembra interessarsi a questo fenomeno è che ci aiuta a fare condensatori migliori.
condensatori con dielettrici
Posiziona uno strato dielettrico tra due piastre metalliche cariche parallele con un campo elettrico che punta da destra a sinistra. (Perché non da sinistra a destra? Beh, io leggo da destra a sinistra, quindi mi rende i diagrammi più facili da “leggere”). I nuclei positivi del dielettrico si muoveranno con il campo a destra e gli elettroni negativi si muoveranno contro il campo a sinistra. Le linee di campo iniziano sulle cariche positive e finiscono sulle cariche negative, quindi il campo elettrico all’interno di ogni atomo o molecola stressata del dielettrico punta da sinistra a destra nel nostro diagramma – opposto al campo esterno dalle due piastre metalliche. Il campo elettrico è una quantità vettoriale e quando due vettori puntano in direzioni opposte si sottraggono le loro grandezze per ottenere la risultante. I due campi non si annullano in un dielettrico come farebbero in un metallo, quindi il risultato complessivo è un campo elettrico più debole tra le due piastre.
Ingrandisci
Lasciami ripetere che – il risultato complessivo è un campo elettrico più debole tra le due piastre. Facciamo un po’ di conti.
Il campo elettrico è il gradiente del potenziale elettrico (meglio conosciuto come tensione).
| Ex = – | ∆V | ||
| ∆x | |||
| Ey = – | ∆V | ⇒ | E = – ∇V |
| ∆y | |||
| Ez = – | ∆V | ||
| ∆z |
Capacità è il rapporto tra carica e tensione.
| C = | Q |
| V |
Introducendo un dielettrico in un condensatore diminuisce il campo elettrico, che diminuisce la tensione, che aumenta la capacità.
| C ∝ | 1 | (Q costante) | ⇒ | C ∝ | (d, Q costante) | |
| V | 1 | |||||
| V ∝ E (d costante) | E | |||||
Un condensatore con un dielettrico conserva la stessa carica di uno senza dielettrico, ma ad una tensione inferiore. Quindi un condensatore con un dielettrico al suo interno è più efficace.
Questa piccola parte qui ha bisogno di un po’ di lavoro.
Per quanto riguarda le prime scoperte della giara di Leyden. Rimuovendo l’asta si abbassa la capacità. (L’aria ha una costante dielettrica più bassa dell’acqua). Tensione e capacità sono inversamente proporzionali quando la carica è costante. Riducendo la capacità si alza la tensione.
suscettibilità, permittività, costante dielettrica
Il momento di dipolo elettrico di qualsiasi cosa – sia esso un atomo teso in un campo elettrico esterno, una molecola polare, o due sfere metalliche caricate in modo opposto – è definito come il prodotto di carica e separazione.
p = q r
con l’unità SI di metro coulomb, che non ha un nome speciale.
La polarizzazione di una regione è definita come il momento di dipolo per unità di volume
| P = | ∑p |
| V |
con l’unità SI di coulomb per metro quadro.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | C | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
Calcolare la polarizzazione dai primi principi è una procedura difficile che è meglio lasciare agli esperti. Non preoccupatevi dei dettagli del perché la polarizzazione ha il valore che ha, accettate solo che esiste ed è una funzione di alcune variabili. E quali sono queste variabili? Perché sono il materiale e l’intensità del campo, ovviamente. Materiali diversi si polarizzano in misura diversa – useremo la lettera greca χe per rappresentare questa quantità nota come suscettibilità elettrica – ma per la maggior parte dei materiali, più forte è il campo (E), maggiore è la polarizzazione (P). Aggiungiamo una costante di proporzionalità ε0 e siamo a posto.
P = ε0χeE
La suscettibilità elettrica è un parametro adimensionale che varia con il materiale. Il suo valore va da 0 per lo spazio vuoto a qualsiasi cosa. Scommetto che ci sono anche dei materiali bizzarri per i quali questo coefficiente è negativo (anche se non ne sono sicuro). La costante di proporzionalità ε0 è conosciuta come la permittività dello spazio libero e sarà discussa più avanti. Per ora, è solo un espediente per far funzionare le unità.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | rowspan=”2″> | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m2 | N m2 | C |
Scrivi il resto di questo.
La quantità κ è senza unità.
| materiale | κ | materiale | κ | |
|---|---|---|---|---|
| aria | 1.005364 | quarzo, cristallino (∥) | 4.60 | |
| acido acetico | 6.2 | quarzo, cristallino (⊥) | 4.51 | |
| alcol, etile (grano) | 24.55 | quarzo, fuso | 3.8 | |
| alcol, metile (legno) | 32,70 | gomma, butile | 2.4 | |
| ambra | 2.8 | gomma, neoprene | 6.6 | |
| amianto | 4.0 | gomma, silicone | 3.2 | |
| asfalto | 2.6 | gomma, vulcanizzata | 2.9 | |
| bakelite | 4.8 | sale | 5.9 | |
| calcite | 8.0 | selenio | 6.0 | |
| carbonato di calcio | 8.7 | silicio | 11.8 | |
| cellulosa | 3.7-7.5 | carburo di silicio (αSiC) | 10.2 | |
| cemento | ~2 | biossido di silicio | 4.5 | |
| cocaina | 3.1 | olio di silicone | 2.7-2.8 | |
| cotone | 1.3 | suolo | 10-20 | |
| diamante, tipo I | 5.87 | titanato di stronzio, +25 °C | 332 | |
| diamante, tipo IIa | 5.66 | titanato di stronzio, -195 °C | 2080 | |
| ebonite | 2.7 | zolfo | 3.7 | |
| epoxy | 3.6 | pentossido di tantalio | 27 | |
| farina | 3 – 5 | teflon | 2.1 | |
| freon 12, -150 °C (liquido) | 3.5 | antimonide di stagno | 147 | |
| freon 12, +20 °C (vapore) | 2.4 | tellururo di stagno | 1770 | |
| germanio | 16 | biossido di titanio (rutilo) | 114 | |
| vetro | 4-7 | tabacco | 1.6-1.7 | |
| vetro, pyrex 7740 | 5.0 | diossido di uranio | 24 | |
| guttaperca | 2.6 | vuoto | 1 (esattamente) | |
| carburante per jet (jet a) | 1.7 | acqua, ghiaccio, -30 °C | 99 | |
| ossido di piombo | 25.9 | acqua, liquido, 0 °C | 87.9 | |
| niobato di magnesio di piombo | 10.000 | acqua, liquido, 20 °C | 80.2 | |
| solfuro di piombo (galena) | 200 | acqua, liquido, 40 °C | 73.2 | |
| titanato di piombo | 200 | acqua, liquido, 60 °C | 66.7 | |
| deuteruro di litio | 14.0 | acqua, liquido, 80 °C | 60.9 | |
| lucite | 2.8 | acqua, liquido, 100 °C | 55.5 | |
| mica, muscovite | 5.4 | cera, cera d’api | 2.7-3.0 | |
| mica, canadese | 6.9 | cera, carnuba | 2.9 | |
| nylon | 3.5 | cera, paraffina | 2.1-2.5 | |
| olio di lino | 3.4 | carta cerata | 3.7 | |
| olio, minerale | 2.1 | |||
| olio, oliva | 3.1 | tessuti umani | κ | |
| olio, petrolio | 2.0-2.2 | osso, cancrena | 26 | |
| olio, silicone | 2.5 | osso, corticale | 14,5 | |
| olio, sperma | 3.2 | cervello, materia grigia | 56 | |
| olio, trasformatore | 2.2 | cervello, materia bianca | 43 | |
| carta | 3.3, 3.5 | cervello, meningi | 58 | |
| plexiglas | 3.1 | cartilagine, generale | 22 | |
| poliestere | 3.2-4.3 | cartilagine, orecchio | 47 | |
| polietilene | 2.26 | occhio, umore acqueo | 67 | |
| polipropilene | 2.2-2.3 | occhio, cornea | 61 | |
| polistirene | 2.55 | occhio, sclera | 67 | |
| cloruro di polivinile (pvc) | 4.5 | grasso | 16 | |
| porcellana | 6-8 | muscolo, liscio | 56 | |
| niobato di potassio | 700 | muscolo, striato | 58 | |
| tantalato di potassio niobato, 0 °C | 34.000 | pelle | 33-44 | |
| potassio tantalato niobato, 20 °C | 6,000 | lingua | 38 |
rottura dielettrica
Ogni isolante può essere costretto a condurre elettricità. Questo fenomeno è conosciuto come rottura dielettrica.
| materiale | campo (MV/m) |
materiale | campo (MV/m) |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| aria | 3 | carta | 14, 16 | ||||
| camera | 90 | polietilene | 50, 500-700, 18 | ||||
| bakelite | 12, 24 | polistirene | 24, 25, 400-600 | ||||
| diamante, tipo IIa | 10 | cloruro di polivinile (PVC) | 40 | ||||
| vetro, pyrex 7740 | 13, 14 | porcellana | 4, 12 | ||||
| mica, muscovite | 160 | quarzo, fuso | 8 | ||||
| nylon | 14 | gomma, neoprene | 12, 12 | ||||
| olio, silicone | 15 | titanato di stronzio | 8 | ||||
| olio, trasformatore | 12, 27 | teflon | 60 | ||||
| diossido di titanio (rutilo) | 6 |
effetto piezoelettrico
Dite tutte le vocali. La piezoelettricità è un effetto attraverso il quale l’energia viene convertita tra forme meccaniche ed elettriche.
- Piezo è la parola greca per la pressione (πιεζω).
- Scoperto negli anni 1880 dai fratelli Curie.
- Microfoni piezoelettrici economici. Quando un cristallo polarizzato è sollecitato, la sollecitazione produce una differenza di potenziale. Questa differenza di potenziale è proporzionale alla sollecitazione, che è proporzionale alla pressione acustica.
- Un microfono piezoelettrico all’indietro è un altoparlante piezoelettrico: cicalino di sveglia, suoneria di orologio da polso, tutti i tipi di beeper elettronici. Quando un potenziale elettrico è applicato ad un cristallo polarizzato, il cristallo subisce una deformazione meccanica che può a sua volta creare una pressione acustica.
- Il collagene è piezoelettrico. “Quando si applica una forza al collagene, si genera un piccolo potenziale elettrico in corrente continua. Il collagene conduce la corrente principalmente tramite cariche negative. I cristalli minerali dell’osso (apatite) vicino al collagene conducono la corrente con cariche positive. In una giunzione di questi due tipi di semiconduttori, la corrente scorre facilmente in una direzione ma non nell’altra …. Si pensa che le forze sulle ossa producano potenziali per effetto piezoelettrico e che le giunzioni collagene-apatite producano correnti che inducono e controllano la crescita dell’osso. Le correnti sono proporzionali allo stress (forza per unità di superficie), quindi un aumento dello stress meccanico dell’osso si traduce in una maggiore crescita.” Fisica del corpo (255).
| tipo | suoni producono cambiamenti in… |
che causano cambiamenti in… |
che risultano in cambiamenti in… |
|
|---|---|---|---|---|
| carbonio | densità dei granuli | resistenza | tensione | |
| condensatore | separazione delle piastre | capacità | tensione | |
| dinamica | posizione della bobina | flusso | tensione | |
| piezoelettrico | compressione | polarizzazione | tensione |