Isolante elettrico

Si definiscono isolanti elettrici, o dielettrici, tutte quelle sostanze la cui conducibilità elettrica è estremamente bassa (in alcuni casi si può supporre nulla). Si differenziano quindi dai conduttori (per esempio i metalli), i quali hanno una bassissima resistività elettrica (inverso della conducibilità).

Descrizione

Questa proprietà degli isolanti è dovuta al fatto che in loro è presente una banda energetica proibita molto ampia e che l'energia termica non basta ad eccitare gli elettroni a sufficienza per andare oltre tale banda. Pertanto la banda di conduzione, che si trova al di là, rimane vuota; la conduzione risulta impossibile. Gli isolanti si distinguono dai semiconduttori, i quali hanno la differenza di energia fra le due bande di 1 - 4 eV raggiungibile per molti elettroni del materiale (vedi statistica di Boltzmann) con la sola energia termica presente a temperatura ambiente.

Isolante o dielettrico

I termini "isolante" e "dielettrico" sono considerati sinonimi, tuttavia mentre il primo definisce semplicemente l'impossibilità di un materiale di condurre corrente a causa dell'assenza di cariche libere, il secondo è generalmente usato per gli isolanti le cui molecole possono essere polarizzate se soggette ad un campo elettrico.

Condensatore riempito con materiale dielettrico: le cariche negative del dielettrico vengono spostate verso la piastra carica positivamente a sinistra. Così facendo si crea un campo elettrico orientato verso sinistra che annulla parzialmente quello creato dalle armature. (L'intervallo vuoto è mostrato per chiarezza; un condensatore reale è totalmente riempito da dielettrico)

Ogni materiale dielettrico è caratterizzato da due costanti: la permeabilità magnetica e la permittività elettrica del materiale. Da queste si deducono per ogni materiale una permeabilità magnetica relativa e una permittività elettrica relativa, riferite ai valori delle stesse costanti nello spazio vuoto.

Applicazioni

La struttura atomica dei dielettrici rende la loro energia di ionizzazione relativamente elevata e quindi è interessante il loro utilizzo in condensatori. Infatti sotto l'azione di un campo elettrico ogni sostanza si ionizza diventando un conduttore. Dato che l'energia dovuta al campo elettrico in un condensatore è E = qV, dove q è la carica considerata e V è la tensione fra le due armature, i condensatori con dielettrici, potendo sopportare energie maggiori, possono conseguentemente sopportare tensioni maggiori rispetto all'aria od al vuoto migliorando le prestazioni del condensatore stesso.

Mettendo del dielettrico in un condensatore, la capacità C di quest'ultimo viene aumentata di un fattore ε_r, chiamata costante dielettrica relativa, tipica del dielettrico considerato:

$C = \epsilon_r \epsilon_0 \frac{A}{d}$

dove $\epsilon_0$ è la costante dielettrica del vuoto, A l'area delle armature e d la distanza fra le armature stesse.

Questo succede perché il campo elettrico polarizza le molecole del dielettrico, producendo frazioni di cariche sulle armature che creano un campo elettrico opposto (antiparallelo) a quello già presente nel condensatore. Vedendo la situazione da un altro punto di vista si può dire che, con un dielettrico all'interno di un condensatore, all'aumentare del campo elettrico in esso aumenta la quantità di carica immagazzinatasi. Difatti è: $C = \frac{q}{V}$. Aumentando C e lasciando invariata V, q deve aumentare.

Voci correlate

• Capacità
• Condensatore
• Conduttore
• Ebanite
• Ionizzazione
• Polarizzazione
• Semiconduttore
• Costante dielettrica
• Diamagnetismo
• Permeabilità magnetica

Collegamenti esterni

• (EN) William D. Brown, Dennis Hess, Vimal Desai, e M. Jamal Deen, Electrochemistry Encyclopedia - "Dielectrics"

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