Costante dielettrica

La permittività elettrica (nel Sistema Internazionale), o impropriamente costante dielettrica (nel linguaggio comune), è una grandezza fisica che descrive come un campo elettrico influenza ed è influenzato da un mezzo dielettrico, ed è determinata dalla capacità di un materiale di polarizzarsi in presenza del campo e quindi ridurre il campo elettrico totale nel materiale. In breve quindi la permettività è la predisposizione di un materiale a trasmettere (o permettere) un campo elettrico.
Essa compare nella legge di Coulomb e varia secondo il materiale in cui sono immerse le cariche elettriche.
In modo analogo, si definisce la permeabilità magnetica:
, dove μ è la permeabilità magnetica del materiale/mezzo e μ0 la permeabilità magnetica nello spazio vuoto.
La permittività elettrica è in genere un numero reale; risulta tuttavia molto utile introdurre una permittività complessa quando si trattano campi sinusoidali, cioè quando si lavora nel dominio della frequenza. In questo modo è infatti possibile trattare le equazioni di Maxwell in forma differenziale con un formalismo simile al caso del vuoto anche in mezzi dissipativi ( cioè a conducibilità finita ) o dispersivi ( cioè le cui proprietà elettromagnetiche variano al variare della frequenza dei campi incidenti ). Questo accorgimento non è invece possibile nel dominio del tempo. Va inoltre detto che la permittività relativa stessa può, in particolari condizioni, essere rappresentata mediante un numero complesso, in accordo con modelli di polarizzazione macroscopici del primo ordine, i quali descrivono la proporzionalità e lo sfasamento fra il vettore polarizzazione nel dielettrico e il campo esterno forzante. La sua parte immaginaria, in particolare, segue un andamento risonante: è cioè molto piccola alle basse e alle alte frequenze ma presenta uno o più picchi a frequanze fissate, legate all'inerzia dei costituenti atomici del materiale. In corrispondenza di questi picchi l'assorbimento di energia da parte del dielettrico è massimo: esso così si scalda. Un esempio pratico è dato, in tal senso, dal forno a microonde: tale dispositivo infatti "cuoce" i cibi irradiandoli alla frequanza di risonanza dell'acqua, che risponde dissipando energia e cioè scaldandosi. Per questo stesso motivo inoltre, altri materiali, come la ceramica costituente il piatto, non vengono scaldati se non perché a contatto con cibi caldi: le loro frequenze di assorbimento sono molto diverse da quelle utilizzate nel forno.
Indice[mostra]
1 Definizione
2 Importanza in chimica
3 Voci correlate
4 Bibliografia
4.1 Dati
5 Collegamenti esterni
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Definizione [modifica]
In un dielettrico si manifestano delle cariche libere, di polarizzazione − σp e + σp. Il termine costante dielettrica del dielettrico fornisce una quantificazione di tale polarizzazione.
Essa si misura in farad al metro nel SI .
Nel vuoto prende il nome di permittività elettrica del vuoto e vale:

dove c è la velocità della luce nel vuoto e μ0 è la permeabilità magnetica nel vuoto.
Negli altri mezzi si indica con ed è posta uguale a:

dove viene chiamato permittività elettrica relativa (costante dielettrica relativa) ed è un numero adimensionale sempre maggiore di 1.
Poiché nella legge di Coulomb la permittività (costante dielettrica) compare al denominatore, la forza che si esercita fra due cariche elettriche, in valore assoluto, è massima nel vuoto e diminuisce al crescere della permittività relativa.
Ciò significa che minore è la costante dielettrica di un mezzo, più esso presenterà caratteristiche isolanti, dato che, se si collocano due corpi di carica opposta alle estremità di una barretta di materiale dielettrico (quindi con costante dielettrica bassa) insorge un campo elettrico lungo la barretta, dando così una forza (legge di Coulomb) alta; al contrario, se tra le due cariche viene posto un materiale conduttore (quindi con costante dielettrica alta), la carica fluisce attraverso di esso e il campo elettrico si annulla dopo pochi istanti, dando così una forza (legge di Coulomb) bassa. Occorre ricordare che i materiali isolanti vengono anche chiamati dielettrici.
Nel caso dell'aria, la permettività elettrica è , approssimata ad 1 che è il valore assegnato alla costante dielettrica nel vuoto. L'aria è l'unico mezzo fisico che viene assimilato allo spazio vuoto.
Quando si lavora con campi sinusoidali nel dominio della frequenza, si può introdurre una permittività elettrica complessa. Se in un mezzo reale, avente permittività relativa e conducibilità σ insiste un campo elettromgnetico di pulsazione ω , è lecito descrivere la relazione di proporzionalità fra il rotore del vettore intensità magnetica e il campo elettrico mediante una costante dielettrica complessa. In particolare la parte reale di tale parametro sarà ancora pari a , mentre la parte immaginaria sarà pari al rapporto tra la conducibilità e la pulsazione, cambiato di segno. Dal momento che tutti i materiali hanno una conducibilità finita, risulta evidente che ad alte frequenze la dispersione, cioè la dipendenza da parte di dalla frequenza, risulta trascurabile e la costante dielettrica diviene nuovamente reale.

Importanza in chimica [modifica]
In chimica, particolarmente importante risulta la valutazione della costante dielettrica che caratterizza un dato solvente, in quanto questa grandezza permette di stabilire quale solvente sia più opportuno per portare in soluzione un dato soluto. Ad esempio, l'acqua possiede costante dielettrica relativa molto elevata (78,5) ed è perciò in grado di solubilizzare i composti ionici o fortemente polari. Di contro il benzene, con valore della costante dielettrica relativa 2,30, risulta un solvente molto utile per ottenere soluzioni di composti organici poco polari (o apolari) e non idrosolubili. L'etanolo è un solvente con caratteristiche intermedie, possedendo eguale a 28.
La costante dielettrica di un solvente non è utile solamente nello studio della solubilità, ma risulta anche un importante parametro nella trattazione di processi elettrochimici, quale ad esempio l'elettroforesi, o nella trattazione termodinamica dei colloidi. Inoltre indica la capacità di impedire la propagazione del campo elettrico (le linee di flusso del campo elettrico). Per l'acqua ciò è molto elevata.

Definizione di isolante elettrico

Le cariche negative del dielettrico vengono spostate verso la piastra carica positivamente a sinistra. Così facendo si crea un campo elettrico orientato verso sinistra che annulla parzialmente quello creato dalle armature. (L'intervallo vuoto è mostrato per chiarezza; un condensatore reale è totalmente riempito da dielettrico)
Si definiscono isolanti elettrici tutte quelle sostanze la cui conducibilità elettrica è estremamente bassa (in alcuni casi si può tranquillamente supporre nulla). Si differenziano quindi dai conduttori (per esempio i metalli), i quali hanno una bassissima resistività elettrica (inverso della conducibilità). Questa proprietà degli isolanti è dovuta al fatto che in loro è presente una banda energetica proibita molto ampia e che l'energia termica non basta ad eccitare gli elettroni a sufficienza per andare oltre tale banda. Pertanto la banda di conduzione, che si trova al di là, rimane vuota; la conduzione risulta impossibile. Gli isolanti si distinguono dai semiconduttori, i quali hanno la differenza di energia fra le due bande di 1 - 4 eV raggiungibile per molti elettroni del materiale (vedi statistica di Boltzmann) con la sola energia termica presente a temperatura ambiente.
Da notare è la differenza fra "isolante" e "dielettrico", molto spesso non considerata, anche perché nella maggior parte dei casi un dielettrico è anche un isolante e viceversa; "isolanti" sono quelle sostanze che si oppongono al passaggio della corrente, "dielettriche" sono invece quelle che hanno molecole che possono essere polarizzate e se vengono inserite in un condensatore diminuiscono la tensione fra le due armature del condensatore stesso.
Ogni materiale dielettrico è caratterizzato da due costanti: la permeabilità magnetica e la permittività elettrica del materiale. Da queste si deducono per ogni materiale una permeabilità magnetica relativa e una permittività elettrica relativa, riferite ai valori delle stesse costanti nello spazio vuoto.

Applicazioni [modifica]
La struttura atomica dei dielettrici rende la loro energia di ionizzazione relativamente elevata e quindi è interessante il loro utilizzo in condensatori. Infatti sotto l'azione di un campo elettrico ogni sostanza si ionizza diventando un conduttore. Dato che l'energia dovuta al campo elettrico in un condensatore è E = qV, dove q è la carica considerata e V è la tensione fra le due armature, i condensatori con dielettrici, potendo sopportare energie maggiori, possono conseguentemente sopportare tensioni maggiori rispetto all'aria od al vuoto migliorando le prestazioni del condensatore stesso.
Mettendo del dielettrico in un condensatore, la capacità C di quest'ultimo viene aumentata di un fattore εr, chiamata costante dielettrica relativa, tipica del dielettrico considerato:

dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto, A l'area delle armature e d la distanza fra le armature stesse.
Questo succede perché il campo elettrico polarizza le molecole del dielettrico, producendo frazioni di cariche sulle armature che creano un campo elettrico opposto (antiparallelo) a quello già presente nel condensatore. Vedendo la situazione da un altro punto di vista si può dire che, con un dielettrico all'interno di un condensatore, all'aumentare del campo elettrico in esso aumenta la quantità di carica immagazzinativi. Difatti è: . Aumentando C e lasciando invariata V, q deve aumentare.

Le cariche negative del dielettrico vengono spostate verso la piastra carica positivamente a sinistra. Così facendo si crea un campo elettrico orientato verso sinistra che annulla parzialmente quello creato dalle armature. (L'intervallo vuoto è mostrato per chiarezza; un condensatore reale è totalmente riempito da dielettrico)

Poliuretano

Sintesi di un poliuretano a partire da un di-isocianato e da un diolo.
Con il termine poliuretano si indica una vasta famiglia di polimeri termoindurenti in cui la catena polimerica è costituita di legami uretanici -NH-(CO)-O-.
I poliuretani sono fondamentalmente ottenuti per reazione di un di-isocianato (aromatico o alifatico) e di un poliolo (tipicamente un glicole polietilenico o poliesteri), in più vengono aggiunti dei catalizzatori per migliorare il rendimento della reazione e altri additivi che conferiscono determinate caratteristiche al materiale da ottenere; in particolare: "surfattanti" per modificarne l'aspetto superficiale, ritardanti di fiamma, e/o agenti espandenti (nel caso in cui si vogliano produrre delle schiume).
I polimeri uretanici sono largamente impiegati nella produzione di una grande varietà di materiali che possono essere raggruppati in queste sottoclassi:
Indice[nascondi]
1 Poliuretani espansi morbidi
2 Poliuretani espansi rigidi
3 Poliuretani rigidi compatti
4 Poliuretani elastici compatti
5 Etichettatura tessile
6 Voci correlate
7 Altri progetti
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Poliuretani espansi morbidi [modifica]

Coibentazione in schiuma poliuretanica tra due tubi in polietilene
Sono schiume flessibili utilizzate soprattutto per produrre materassi e imbottiture. Con la tecnica di iniezione a bassa pressione o colatura su stampo è possibile ottenere imbottiture preformate già pronte per la posa in opera.

Poliuretani espansi rigidi [modifica]
Le schiume rigide leggere sono largamente utilizzate per produrre lastre di materiale termoisolante, spesso vengono iniettati direttamente nel corpo di scambiatori di calore, boilers,nelle strutture dei frigoriferi.e nel confezionamento di pannelli sandwich per l'edilizia
Schiume poliuretaniche ad alta densità vengono spesso adoperate per produrre parti strutturali di grandi dimensioni.

Poliuretani rigidi compatti [modifica]
Sono utilizzati per produrre pezzi rigidi dalle diverse consistenze. Il costo della materia prima è tipicamente più alto rispetto ai più comuni materiali termoplastici, ma le attrezzature necessarie allo stampaggio sono più convenienti, soprattutto nel caso di pezzi di grandi dimensioni. Ne consegue che i poliuretani rigidi sono tipicamente utilizzati nei casi di piccole serie di componenti di grandi dimensioni (con peso da 0,5 Kg in su).

Poliuretani elastici compatti [modifica]

Granuli di poliuretano termoplastico (TPU)
Sono i comuni elastomeri, utilizzati per produrre elastici di vario genere, guarnizioni, parti morbide di giocattoli, articoli medicali e tubi flessibili di grandi dimensioni.
Inoltre il poliuretano entra come componente nella produzione di alcuni tipi di vernici, nonché di alcuni tipi di adesivi.

Resina Epossidica

Una resina epossidica è una resina termoindurente ottenuta per condensazione di bisfenolo (non necessariamente) ed epicloridrina. Viene usata per la produzione di vernici, adesivi, laminati, colle e come matrice per compositi con fibra di vetro e carbonio. Nel settore delle vernici industriali, le resine epossidiche vengono miscelate nel giusto rapporto stechiometrico con il componente B (solitamente composto da poliammidi), il quale reagisce con la resina per dare una pellicola dura e dalle ottime proprietà di resistenza (agli agenti chimici, all'abrasione ecc).