Un dielettrico è un isolante che separa le due piastre o fogli del conduttore nel condensatore. Gli isolanti sono materiali che non conducono la corrente elettrica, ad esempio plastica, vetro, carta o legno. La funzione del dielettrico è quella di aumentare la capacità in modo che il condensatore possa immagazzinare una maggiore carica elettrica e quindi una maggiore energia potenziale elettrica.
Un condensatore può funzionare se le due piastre conduttrici non si toccano, in modo che la carica elettrica non si sposti da un conduttore all'altro. Analogamente, affinché la carica elettrica non si sposti dal conduttore all'aria, lo spazio tra i due conduttori deve essere vuoto. Nell'argomento relativo ai condensatori a piastre parallele, è stata discussa la capacità di condensatori a piastre parallele separati dal vuoto. La capacità di un condensatore nel vuoto è limitata, quindi per aumentarla è necessario interporre un dielettrico tra le due piastre.
Il dielettrico aumenta la capacità perché il potenziale elettrico tra le due piastre conduttrici diminuisce
Perché la capacità del condensatore aumenta dopo aver interposto il dielettrico tra le due piastre o fogli? Per rispondere a questa domanda, ricordiamo innanzitutto la lezione sulla carica elettrica. Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. Ad esempio, una carica positiva attrae una carica negativa ma la respinge. Perché allora la plastica carica negativamente può attrarre piccoli pezzi di carta non carichi elettricamente? Questo accade perché il pezzo di carta subisce una polarizzazione di carica.
Gli elettroni nei materiali isolanti come la carta non possono muoversi liberamente come gli elettroni nei materiali conduttori. Pertanto, quando la plastica carica negativamente viene avvicinata al pezzo di carta, gli elettroni legati all'atomo vengono respinti dalla plastica carica negativamente. Si verifica quindi una polarizzazione tra la carica negativa e quella positiva sulla carta. La carica negativa sulla carta si allontana dalla plastica, mentre la carica positiva sulla carta si avvicina. Di conseguenza, la carica negativa sulla plastica attrae la carica positiva sul pezzo di carta finché quest'ultima non si avvicina alla plastica.
Il processo di polarizzazione della carica che si verifica su dei fogli di carta è simile alla polarizzazione della carica che si verifica in un dielettrico. Come mostrato nella figura a sinistra, ad esempio, inizialmente c'erano solo due conduttori elettricamente carichi. La piastra di sinistra è caricata positivamente mentre quella di destra è caricata negativamente, in modo che la direzione del campo elettrico sia da sinistra a destra.
Dopo aver interposto il dielettrico tra le due piastre conduttrici, la carica positiva sulla piastra sinistra attrae gli elettroni presenti sulla superficie del dielettrico adiacente. Allo stesso modo, la carica negativa sulla piastra destra respinge gli elettroni presenti sulla superficie del dielettrico adiacente. Gli elettroni nel dielettrico, che è un isolante, non sono liberi di muoversi come gli elettroni in un conduttore. Pertanto, gli elettroni rimangono legati all'atomo, ma si verifica una polarizzazione tra gli elettroni con carica negativa e i protoni con carica positiva, come mostrato in figura.
La presenza di una carica positiva sul lato destro degli atomi del dielettrico e di una carica negativa sul lato sinistro degli atomi del dielettrico genera un campo elettrico. Questo campo elettrico, che si sviluppa da destra verso sinistra, indebolisce il campo elettrico generato dalla carica elettrica sulla piastra conduttrice, che si sviluppa da sinistra verso destra. Pertanto, il campo elettrico diminuisce non perché la carica elettrica sulle due piastre/fogli del conduttore diminuisca, ma perché nel dielettrico si genera un campo elettrico in direzione opposta. Se il dielettrico viene rimosso, l'intensità del campo elettrico generato dalla carica elettrica sulle due piastre o fogli del conduttore torna al valore normale.
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Poiché l'intensità del campo elettrico generato dalla carica elettrica su entrambe le piastre conduttrici si riduce, anche il potenziale elettrico tra le due piastre si riduce. Infatti, il campo elettrico è direttamente proporzionale al potenziale elettrico, come indicato dall'equazione E = V / d, dove E = campo elettrico, V = potenziale elettrico e d = distanza tra le due piastre. Se prima del dielettrico il potenziale elettrico è Vo, dopo il dielettrico il potenziale elettrico si riduce a V di un fattore K.
Matematicamente, Vo = KV o V = Vo / K o K = Vo / V, dove K è la costante dielettrica. Vo > V, quindi K > 1.
Si prega di notare che la quantità di carica elettrica su entrambe le piastre o fogli di conduttori non cambia, quindi la quantità di carica finale è uguale alla quantità di carica iniziale (Q = Qo). La variazione di capacità del condensatore viene calcolata nel modo seguente:
C = capacità finale, Co = capacità iniziale, Q = carica finale, Qo = carica iniziale, V = potenziale finale, Vo = potenziale iniziale, K = costante dielettrica
In base all'equazione sopra riportata, si conclude che la capacità iniziale (Co) è minore mentre la capacità finale (C) è maggiore. La capacità aumenta di un fattore K, dove K è la costante dielettrica. Il valore della costante dielettrica varia a seconda del materiale isolante. La costante dielettrica (K) è il risultato del rapporto tra la capacità del condensatore con l'utilizzo di un dielettrico e la capacità del condensatore senza l'utilizzo di un dielettrico.
La capacità dielettrica aumenta perché la distanza tra le due piastre conduttrici diminuisce
Un'altra funzione dielettrica è quella di ridurre la distanza (d) tra le due piastre conduttrici. In questo modo, il campo elettrico (E) e la tensione elettrica (V) tra le due piastre o lamine conduttrici aumentano, come indicato dall'equazione E = V / d. Se il campo elettrico e la tensione elettrica tra le due piastre o lamine aumentano, allora aumenta anche la capacità del condensatore.
Se i condensatori in questione sono collegati in parallelo, la capacità si calcola utilizzando la seguente formula:
In base alle due formule sopra riportate, si può concludere che la capacità (C) dei condensatori a piastre parallele può essere aumentata riducendo la distanza tra le due piastre o fogli conduttori (d).
La capacità dielettrica aumenta perché aumenta la capacità del condensatore
Il dielettrico è costituito da un materiale isolante che, se sottoposto a un forte campo elettrico, si danneggia. Il danneggiamento del dielettrico si verifica quando il campo elettrico è così intenso da spostare gli elettroni dagli atomi; questi elettroni, a loro volta, urtano gli elettroni di altri atomi, provocando un flusso di elettroni nel dielettrico. In altre parole, il danneggiamento del dielettrico trasforma un isolante elettrico in un conduttore elettrico.
Per evitare danni, ogni dielettrico realizzato con un determinato materiale isolante ha un valore massimo di campo elettrico che può sopportare, chiamato rigidità dielettrica. La rigidità dielettrica del materiale isolante è maggiore di quella dell'aria e ogni materiale isolante ha una rigidità dielettrica diversa, alcuni valori sono bassi e altri alti. Pertanto, se si utilizza un dielettrico con un'elevata rigidità dielettrica, il campo elettrico che può sopportare è maggiore e di conseguenza anche la tensione che può sopportare è maggiore. Maggiore è il campo elettrico e la tensione elettrica generati dalle due piastre o lamine del conduttore, maggiore sarà la quantità di carica elettrica che può essere immagazzinata dalla piastra conduttrice. Maggiore è la carica presente all'interno della piastra conduttrice, maggiore sarà la capacità del condensatore.
