Rottura del dielettrico e rigidità dielettrica

Il fenomeno di rottura del dielettrico consiste nella conversione, temporanea o permanente, dei materiali isolanti in conduttori. Un dielettrico si rompe quando è soggetto a un campo elettrico esterno superiore a un determinato valore limite, detto rigidità dielettrica e dipendente dal materiale.

 

Abbiamo studiato la differenza tra conduttori e isolanti elettrici, sia a livello macroscopico che microscopico; conosciamo le principali grandezze che intervengono nei fenomeni elettrici e, infine, abbiamo analizzato il comportamento dei dielettrici immersi in un campo elettrico esterno.

 

A questo punto è lecito domandarsi: un dielettrico sottoposto a un campo elettrico molto intenso può abbandonare la propria natura di isolante e trasformarsi in un conduttore?

 

La risposta è affermativa. Come vedremo in questa lezione gli isolanti possono trasformarsi temporaneamente o permanentemente in conduttori a seguito del fenomeno di perforazione del dielettrico. Nel contempo introdurremo una nuova grandezza, detta rigidità dielettrica, che dipende dai materiali e che individua il valore limite di campo elettrico oltre il quale uno specifico dielettrico si rompe.

 

Riduzione del campo elettrico in presenza di un dielettrico

 

Se collochiamo un dielettrico in un condensatore in modo da riempire lo spazio presente tra le sue armature, il campo elettrico \vec{E} al suo interno è meno intenso rispetto a quello che si avrebbe se tra le armature ci fosse il vuoto (\vec{E}_0).

 

In particolare l'intensità del campo elettrico del condensatore in presenza del dielettrico si riduce di un fattore pari al reciproco della costante dielettrica relativa \varepsilon_{r,m} del mezzo utilizzato

 

E=\frac{E_0}{\varepsilon_{r,m}}

 

Ricordandoci che \varepsilon_{r,m}>1 per qualsiasi materiale diverso dal vuoto, si capisce perché il campo elettrico del condensatore con un dielettrico tra le armature deve essere minore rispetto a quello che si avrebbe con il vuoto.

 

Il dielettrico è in grado di ridurre il valore del campo elettrico del condensatore perché, a seguito della polarizzazione, è costituito da numerosissimi dipoli elettrici che si dispongono lungo le linee di campo elettrico. In particolare il polo positivo di ciascun dipolo tende a orientarsi verso l'armatura negativa che lo attrae e, al contrario, il polo negativo tende a disporsi verso l'armatura positiva.

 

Le due superfici estreme del dielettrico a contatto diretto con le armature del condensatore hanno così cariche con lo stesso valore assoluto e di segni opposti. Il dielettrico si trasforma in una sorta di condensatore dentro il condensatore, e crea un campo elettrico \vec{E}_m parallelo e opposto a quello generato dalle armature. Il risultato è che il campo elettrico risultante è inferiore a quello generato dal condensatore che lo ospita.

 

Rigidità dielettrica e rottura del dielettrico

 

Un dielettrico soggetto a un campo elettrico esterno genera quindi al proprio interno un campo elettrico \vec{E}_m parallelo e opposto a quello esterno \vec{E}_0, e per effetto del principio di sovrapposizione il campo elettrico risultante \vec{E} diminuisce di intensità.

 

La formula che esprime tale relazione a livello di moduli è già nota dalla lezione sui dielettrici:

 

E=E_0-E_m

 

Non è possibile però creare all'interno del dielettrico un campo di qualsivoglia valore. Per ogni dielettrico esiste sempre un valore massimo di campo elettrico esterno oltre il quale il dielettrico si rompe e si comporta da materiale conduttore, consentendo il passaggio di cariche elettriche al proprio interno. Tale fenomeno prende il nome di rottura del dielettrico (o perforazione del dielettrico) e può essere temporaneo o irreversibile.

 

Il valore massimo prende il nome di rigidità dielettrica e si misura in \frac{\mbox{V}}{\mbox{m}}, ossia in volt su metri, come qualsiasi campo elettrico.

 

In generale il valore di rigidità dielettrica dipende dal dielettrico inteso come corpo. In altri termini dal materiale che lo costituisce il dielettrico, dalle sue dimensioni, dalla sua forma e da altri fattori tra cui, ad esempio, l'umidità e la temperatura. Valori tipici della rigidità dielettrica si aggirano attorno a 10^6\ \frac{\mbox{V}}{\mbox{m}}. L'aria ad esempio ha una rigidità dielettrica pari a 3\cdot 10^6\ \frac{\mbox{V}}{\mbox{m}}, e questo è indicativamente il valore di campo elettrico necessario affinché l'aria si comporti temporaneamente come un materiale conduttore.

 

Si parla letteralmente di rottura perché, quando un dielettrico è soggetto a campi elettrici particolarmente intensi, i legami tra gli atomi si rompono permettendo al materiale di condurre elettricità. Il dielettrico smette quindi di comportarsi da isolante quale è, e diventa un conduttore. Nel caso dei dielettrici solidi la scarica che si produce può essere tale da compromettere irrimediabilmente il materiale, ad esempio deformandolo o incendiandolo.

 

Comunissimi esempi di perforazione del dielettrico sono dati dalle scintille dei fornelli e dai fulmini. Nel caso dell'aria quando viene raggiunto il valore di rigidità dielettrica si produce una scarica elettrica visibile: ad esempio, quando giriamo la manopola di un fornello, si crea un forte accumulo di carica elettrica sulla punta metallica posta in prossimità degli ugelli da cui esce il gas. Attorno alla punta il campo elettrico è talmente intenso che le particelle dell'aria si ionizzano. L'aria diventa così conduttrice e dà la possibilità alle cariche elettriche di muoversi al suo interno. Ecco spiegato come si crea la scarica che incendia il gas quando accendiamo il fuoco. :)

 

Per i fulmini accade la stessa cosa. Le nuvole si elettrizzano per strofinio e caricano per induzione il terreno sottostante, con una carica di segno opposto. Le nuvole e il terreno formano in questo modo un enorme condensatore, tra le cui armature l'aria funge da dielettrico. Se il campo elettrico che si viene a creare supera il valore di rigidità dielettrica dell'aria, quest'ultima si rompe e si trasforma temporaneamente in un conduttore, consentendo alle cariche elettriche di muoversi al suo interno... Da cui, per l'appunto, i fulmini.

 

Oltre che un'opportunità, nelle applicazioni tecnologiche il fenomeno di perforazione del dielettrico può rappresentare un rischio. Quando si progettano dispositivi elettronici bisogna infatti prestare attenzione: i componenti devono essere costruiti e assemblati in modo da non creare mai campi elettrici superiori ai valori di rigidità dielettrica dei materiali isolanti interposti, per ovvi motivi di sicurezza; se si superasse il valore critico, potrebbe partire una scarica accidentale pericolosa per le attrezzature e per chi le usa.

 

 


 

Vi aspettiamo nella lezione successiva: parleremo finalmente della corrente elettrica. :) Se siete in cerca di esercizi risolti o di eventuali approfondimenti vi raccomandiamo, come di consueto, di usare la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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Tags: cos'è la rigidità dielettrica - un isolante elettrico può comportarsi da conduttore - perché i fulmini attraversano l'aria, se l'aria è un isolante?