Dielettrici (Isolanti) N.B. nelle operazioni che svolgeremo avremo a che fare con condensatori carichi. Si può operare in due diverse condizioni: 1) a carica costante: condensatore caricato e poi scollegato dal generatore 2) a potenziale costante: condensatore sempre collegato al generatore Dielettrici 1 Carica costante Inseriamo una lastra metallica tra le armature di un condensatore carico lastra metallica V V0 Q costante , V < V0, C = Q/V aumenta Equivale ad un condensatore di separazione tra le due armature d = h-s Dielettrici 2 Inseriamo una lastra di dielettrico (isolante): ( ) prima, lastra di spessore < separazione fra le armature : V’ < V0 (a) poi in modo da riempire tutto lo spazio fra le armature Vk < V’ < V0 (b) Definiamo costante dielettrica (relativa) del dielettrico, k ,il rapporto Dielettrici 3 Allora: con ε = k ε0 ( costante dielettrica assoluta/ permettività p del dielettrico)) e σp = σ0 /k Calcoliamo l’extra-campo elettrico prodotto dal dielettrico, Ei Ei = La χ (chi) si definisce “ suscettività dielettrica” Dielettrici 4 All’i t All’interno d l dielettrico del di l tt i sii forma f un campo elettrico l tt i (di polarizzazione) l i i ) (Ei ) di segno opposto a quello tra le armature del condensatore (E0) , per cui il campo totale (Ek) decresce. Ek = Eo - Ei Sulle facce del dielettrico compare una densità di carica, σp, di segno opposto a quella sulle armature di fronte , ma di valore minore + Dielettrici E0 + $+ Ei + + 5 N B Le cariche sulle armature e quelle sul dielettrico non possono combinarsi, N.B. combinarsi perché quelle sul dielettrico non sono cariche mobili e quelle sulle armature non possono entrare t nell dielettrico di l tt i che h è isolante. i l t Se moltiplichiamo le σ per l’area delle armature ,Σ, otteniamo le cariche totali. Quindi da si ottiene Dielettrici 6 La capacità di un condensatore pieno di dielettrico diventa In particolare per il condensatore f.p.p. si ha ε = kε0 si chiama costante dielettrica assoluta del dielettrico Tutte le formule viste in precedenza per il condensatore vuoto, valgono anche per quello ll pieno i di dielettrico, di l tt i se sii sostituisce tit i ε0 con ε. Dielettrici 7 Si definisce Rigidità g dielettrica il ppiù elevato valore del campo p elettrico nel qquale può trovarsi il dielettrico prima che al suo interno comincino a scorrere delle cariche (il dielettrico “si buca”) Dielettrici 8 Esempio Condensatore parzialmente riempito di dielettrico di cost. diel. k Quanto valgono V’k e Ceq ? Fuori dal dielettrico campo elettrico è come nel cond. vuoto E = σ0/ε0 . Nel dielettrico Ek = σ0/kε0 N.B. E non dipende dalla pposizione del p dielettrico e V’k dipende solo dallo spessore Dielettrici 9 V’k Ceq Come si vede il sistema equivale a due condensatori in serie, uno vuoto, di separazione (h-s), e l’altro pieno di dielettrico di spessore s e costante k Dielettrici 10 Potenziale costante Il condensatore è sempre collegato a un generatore che mantiene costante la d.d.p. ai suoi capi, V0 , facendo variare, se necessario la carica sulle armature. Cond. vuoto: Dielettrici 11 Con dielettrico C = k C0 , quindi: Il generatore deve fornire una l’extra-carica qp , producendo un lavoro W = qp V0 Dielettrici 12 Forza di risucchio su una lastra di dielettrico In un condensatore a f.p.p., p p di lato l e separazione p h, collegato g a un generatore, è inserita una lastra di dielettrico per una lunghezza x. N.B. Il campo elettrico non è (mai) uniforme in prossimità dei bordi! Cosa succede? Dielettrici 13 Il campo del condensatore interagisce con le cariche indotte sul dielettrico (anche fuori dalle armature). Consideriamo il sistema come due cond (uno pieno e uno vuoto) in cond. - -- --+ ++ +++ parallelo se x aumenta u e di d dx,, (la ( lastra s eentra ddi ppiù ù tra lee armature) u e) C ccresce esce di d dC C con spostamento della carica dq = VdC da una faccia all’altra ad opera del generatore Dielettrici 14 Il generatore compie un lavoro l’energia elettrostatica aumenta di L’altra metà del lavoro del generatore viene fatto tramite la forza di risucchio N.B. il segno di F Dielettrici 15 Polarizzazione dei dielettrici Di che h natura t è la l carica i che h appare sulle ll facce f del d l dielettrico? di l tt i ? Un dielettrico sottoposto a un campo elettrico si dice polarizzato Struttura dei dielettrici: Elementi (atomi o molecole) senza (1) o con (2) momento di dipolo spontaneo. 1) Senza m.d.d. Es.atomo Effetto del campo elettrico esterno: Spostamento dei “baricentri” delle cariche + e -, con formazione di un m.d.d. indotto: p = Zex Dielettrici 16 2) Molecole con m.d.d. spontaneo p0 (es. H2O) Effetto del campo esterno: orientazione media dei dipoli. dipoli E’ come se all’interno del dielettrico si formassero delle catene di dipoli (efficaci) da una faccia all’altra. Dielettrici 14 Supponiamo di individuare un volumetto cubico τ all’interno del dielettrico polarizzato, che contenga N atomi o molecole, ognuno con m.d.d. medio <p> Il m.d.d. totale è p = N <p> . Definiamo Momento di dipolo per unità di volume n = densità di atomi o molecole (m-3), Il vettore P (sempre // a E) si definisce anche Polarizzazione (del dielettrico) U ità di misura: Unità i <p>: < > C m; P : C m / m3 = C //m2 = densità d ità superficiale fi i l di carica. Dielettrici 18 Prendiamo un volumetto, dτ, all’interno del dielettrico polarizzato di area dΣ0 e spessore dh, nella direzione di P e E, il suo m.d.d. è: dp = P dτ Possiamo sostituirlo con un altro sistema che non alteri il m.d.d. m d d totale ? Sostituiamolo con due lamine metalliche di area dΣ0 e separate di dh. Che carica dq dobbiamo mettere sulle armature pe avare lo stesso m.d.d.? P dτ = dq dh = σp dΣ 0 dh = σ dτ quindi σp = P e dq = P dΣ0 Dielettrici 19 Se ora consideriamo due cubetti adiacenti, le cariche –dq e +dq sulle due facce in contatto si annullano e restano solo le cariche –dq e +dq sulle facce estreme, ad una distanza 2dh. Continuando ad aggiungere cubetti si arriva alle due superfici Quindi sulle facce di una lastra di dielettrico polarizzato è presente una carica di polarizzazione di densità σp = |P| Dielettrici 20 Se il dielettrico non ha forma regolare, dato un prismetto di superficie, sulla faccia interna –dq = σ’p dΣ0 = P dΣ0 mentre sulla faccia esterna dq = σp dΣ , quindi Se 0 < θ < π/2 σp > 0, se π/2 < θ < π σp < 0 Per una lastra θ = 0 e θ = π Dielettrici 21 In generale (cristalli cubici. amorfi,…) P ∝ E: P = ε0 χ E = ε0 (κ-1) E quindi χ è uno scalare. Ma per i cristalli χ può essere un tensore! Pi = ε0 Σj χij Ej D Dato che h le l cariche i h di polarizzazione l i i qp sono cariche “vere”, possiamo inserirle nella Legge di Gauss applicata alla scatola cilindrica in figura, con la base (di area Σ ) parallela alle armature. Dielettrici 22 Calcoliamo il flusso di P attraverso la stessa superficie chiusa Σ Considerando che P è nulla all’interno all interno delle armature si ha = σpΣ = qp per cui (cariche libere) Dielettrici 23 Definiamo D il vettore Induzione Dielettrica. Quindi le Legge di Gauss in presenza di dielettrici, si può scrivere (=D Σ …) Il modulo di D coincide con la densità di cariche libere σ Come si vede P e D e σ hanno le stesse dimensioni quindi le stesse unità di misura: C / m2 Dielettrici 24 In un dielettrico in un C.F.P.P. La forma locale della Legge di Gauss in presenza di un dielettrico diventa: Dielettrici 25