Permittività | Assoluto, relativo e vuoto | Definizione e valori

Permittività nell’Elettromagnetismo

In elettromagnetismo, la permittività, nota anche come permittività assoluta, misura la polarizzabilità elettrica di un dielettrico o di un isolante. Un materiale con alta permittività, come il titanato di stronzio, si polarizza maggiormente in risposta a un campo elettrico applicato rispetto a un materiale con bassa permittività, immagazzinando così più energia.

Permittività Relativa e Costante Dielettrica

La permittività relativa, denotata con ε_r, è la stessa quantità della costante dielettrica, denotata con κ (kappa). La permittività relativa del vuoto è unitaria per definizione. La permittività del vuoto, ε₀, è di circa 8,85 x 10^-12 farad per metro (F/m) in unità SI. La permittività caratterizza anche la capacità del dielettrico di immagazzinare energia elettrica in un campo elettrico.

Impatto sulla Capacità di un Condensatore

Nell’elettrostatica, la permittività gioca un ruolo importante nella determinazione della capacità di un condensatore. La permittività assoluta è spesso rappresentata dalla permittività relativa dimensionless, ε_r, che è il rapporto tra la permittività assoluta ε e la permittività del vuoto ε₀.

Permittività del Vuoto e Velocità della Luce

La permittività del vuoto, anche nota come permittività dello spazio libero o costante elettrica, ε₀, è una costante fisica che misura quanto densamente un campo elettrico può formarsi in risposta a cariche elettriche. È anche collegata all’energia immagazzinata all’interno di un campo elettrico e alla capacità.

Suscettibilità Elettrica

In elettromagnetismo, la suscettibilità elettrica, χ_e, è una costante di proporzionalità adimensionale che indica il grado di polarizzazione di un materiale dielettrico in risposta a un campo elettrico applicato. La suscettibilità è collegata alla sua permittività relativa, ε_r, e influenza molti altri fenomeni nel mezzo, dalla capacità dei condensatori alla velocità della luce.

Polarizzazione Elettrica

A differenza dei metalli, nei dielettrici tutte le cariche sono attaccate a specifici atomi e molecole. Queste cariche sono note come cariche vincolate. Possono essere spostate (polarizzate) all’interno di un atomo o di una molecola dall’applicazione di un campo elettrico
. La polarizzazione elettrica è un leggero spostamento relativo delle cariche elettriche positive e negative in direzioni opposte all’interno di atomi o molecole di un isolante, o dielettrico, indotto da un campo elettrico esterno. Questi spostamenti microscopici, pur non essendo drammatici come il riarrangiamento delle cariche in un conduttore, sono responsabili del comportamento caratteristico dei materiali dielettrici.

Tipi di Polarizzazione

Ci sono tre tipi di polarizzazione: polarizzazione elettronica, polarizzazione orientazionale e polarizzazione ionica. La polarizzazione elettronica avviene quando il campo esterno applicato sposta le nuvole elettroniche degli atomi rispetto ai nuclei pesanti. La polarizzazione orientazionale riguarda molecole polarizzate, come l’acqua, che si orientano in direzione del campo elettrico esterno. La polarizzazione ionica si verifica nei cristalli ionici, come il NaCl, dove si ha uno spostamento relativo tra ioni positivi e negativi.

Dielettrici nei Condensatori

I dielettrici hanno molte applicazioni, ma l’uso più significativo è nei condensatori. In molti condensatori, c’è un materiale isolante come carta o plastica tra le piastre. Un tale materiale, chiamato dielettrico, può essere utilizzato per mantenere una separazione fisica delle piastre. L’uso di un dielettrico risolve il problema meccanico di mantenere due grandi lastre metalliche a una piccola distanza senza contatto fisico, aumenta la massima differenza di potenziale possibile tra le piastre del condensatore e riduce il campo elettrico, aumentando così la capacità.

Effetto dei Dielettrici sulla Capacità

La capacità di un condensatore aumenta quando lo spazio tra i conduttori è riempito con dielettrici. La polarizzazione del dielettrico dal campo elettrico applicato aumenta la carica superficiale del condensatore per la data forza del campo elettrico. La capacità aumenta a: C = κ_eC₀ dove κ_e è la costante dielettrica e C₀ è la capacità tra le piastre senza dielettrico.

Conclusione

La permittività e la polarizzazione dei materiali dielettrici sono concetti fondamentali in elettromagnetismo, influenzando la capacità dei condensatori e altre proprietà elettriche importanti dei materiali.