Un dielettrico è un materiale isolante che si polarizza quando viene immerso in un campo elettrico. Le cariche non scorrono liberamente come in un conduttore, ma si spostano localmente formando dipoli elettrici o orientando dipoli già presenti.
Il comportamento macroscopico di un dielettrico lineare, omogeneo e isotropo è descritto da:
Qui \mathbf{E} è il campo elettrico, \mathbf{D} è lo spostamento elettrico, \varepsilon è la permittività elettrica del materiale e \varepsilon_r è la permittività relativa.
Relazione con la polarizzazione
La descrizione più generale separa il contributo del vuoto dal contributo del materiale:
dove \mathbf{P} è il vettore polarizzazione. In un dielettrico lineare:
La suscettività elettrica \chi_e misura quanto facilmente il materiale si polarizza.
Effetto nei condensatori
In un condensatore piano riempito completamente da un dielettrico:
Il dielettrico aumenta la capacità perché consente di immagazzinare più carica a parità di tensione. L’interpretazione dipende però dal vincolo:
| Condizione | Carica | Tensione | Effetto del dielettrico |
|---|---|---|---|
| condensatore collegato alla batteria | aumenta | resta fissata | entra carica dalla sorgente |
| condensatore isolato | resta fissata | diminuisce | il campo interno si riduce |
L’energia volumica immagazzinata nel campo, per un mezzo lineare, è:
Proprietà operative
| Proprietà | Significato |
|---|---|
| \displaystyle \varepsilon_r | capacità di aumentare la permittività rispetto al vuoto |
| rigidità dielettrica | campo massimo prima della scarica o perforazione |
| perdite dielettriche | energia dissipata in campi variabili |
| stabilità termica | variazione delle proprietà con temperatura |
| risposta in frequenza | dipendenza da meccanismi di polarizzazione attivi |
Un buon dielettrico per condensatori non deve avere solo \varepsilon_r alta: deve anche resistere al campo elettrico, dissipare poca energia, restare stabile nel tempo e non degradarsi con temperatura, umidità o frequenza di lavoro.
Equazioni di Maxwell nei materiali
Lo spostamento elettrico soddisfa:
Questa forma separa le cariche libere, imposte da elettrodi o sorgenti, dalle cariche legate prodotte dalla polarizzazione del dielettrico.
Un errore comune è trattare il dielettrico come un semplice “isolante perfetto”. In realtà i dielettrici reali hanno perdite, limiti di campo, risposta dispersiva e fenomeni di invecchiamento.
Vedi anche: Polarizzazione dielettrica, Permittività elettrica, Condensatore, Campo elettrico.