Materiali Isolanti

Proprietà elettriche dei materiali isolanti

Costante dielettrica

La costante dielettrica relativa εr di un materiale isolante è il rapporto fra la capacità C di un condensatore avente quel particolare materiale come dielettrico e la capacità C0 dello stesso

condensatore avente per dielettrico il vuoto (in pratica l’aria): εr= C/C0. Per una data distribuzione di carica sulle armature del condensatore, la costante dielettrica εr del materiale isolante usato come dielettrico misura l’indebolimento del campo elettrico fra le armature in seguito all’interposizione del dielettrico, cioè la costante dielettrica esprime il rapporto fra l’intensità del campo elettrico E0 quando fra le armature c’è il vuoto e l’intensità E che si ha nel dielettrico: εr=E0/E.


In un dielettrico isotropo, che presenta cioè uguali proprietà di polarizzazione dielettrica in tutte le direzioni, εr ha lo stesso valore qualunque sia la direzione del campo elettrico induttore; in un dielettrico non isotropo esistono, invece, determinate direzioni privilegiate lungo le quali il valore di εr può modificarsi sostanzialmente.

I valori di εr, per campi elettrici statici o di bassa frequenza, variano da 1 a oltre 10.000 per dielettrici tipici. Per l’aria si assume εr= 1 (precisamente 1,00054 per l’aria secca); in alcuni materiali, come le ceramiche al titanato di bario BaTi03, la costante dielettrica assume valori molto elevati, fino a 9000.

Per la maggior parte dei materiali isolanti, la costante dielettrica aumenta con la temperatura, specialmente al disopra di una regione critica di temperature, che è unica per ciascun materiale. I valori di εr sono anche influenzati dalla frequenza, in dipendenza dal meccanismo molecolare di polarizzazione del dielettrico.

Fra la costante dielettrica εr, il campo elettrico E e lo spostamento elettrico o induzione D esiste la relazione: εr=D/(ε0E), in cui ε0 è la costante dielettrica del vuoto. Per campi elettrici variabili sinusoidalmente nel tempo, dove lo spostamento D può avere un ritardo di fase rispetto al campo elettrico E, nella relazione precedente la εr è da considerarsi una quantità complessa: εr=εr-jεr; il termine «costante dielettrica» vale di solito per la parte reale εr , mentre ε”r, è detta permittività relativa complessa.

In alcune sostanze isolanti, dette ferroelettriche, la costante dielettrica relativa ha valori estremamente elevati e dipende dal valore del campo elettrico. Per queste sostanze si osservano fenomeni di isteresi dielettrica, analoghi a quelli presentati dai materiali ferromagnetici: la polarizzazione del dielettrico non è lineare con il campo elettrico induttore E e si ha una polarizzazione residua quando il campo E viene annullato.

Questi materiali sono ferroelettrici al disotto di una temperatura, detta temperatura di Curie Tc; per temperature maggiori di Tc la polarizzazione residua scompare e il materiale appare come un normale dielettrico. Tipici materiali isolanti ferroelettrici sono il titanato di bario, il titanato di bario e di piombo, lo zirconato di bario, il niobato di cadmio, il titanato di calcio, il niobato di litio, lo zirconato di piombo e molti altri.

Valori bassi della costante dielettrica sono preferibili per applicazioni in alta frequenza allo scopo di minimizzare le perdite di potenza elettrica, mentre gli alti valori sono preferibili per la realizzazione di condensatori.

Nella tabella I sono riportate le costanti dielettriche ϵr di alcuni materiali per diversi valori di temperatura e di frequenza.

TABELLA I. – Costanti dielettriche ϵr.

Materiale Temp. °C Frequenza Hz ϵr
Aria secca senza C02 20 1,00054
Acqua 25 105 78,2
TiO2 25 105 170*

86 **

AI2A3 25 105 10,55*

8.6 **

BaTiO3 25 105 180 * 9000**
Mica 25 104 7,3*** 

6,9 ****

Polietilene e paraffina 25 102 2.25
Gomma vulcanizzata 25 102 2,94
Quarzo fuso 25 102 3,78

* = campo elettrico E parallelo all’asse principale del cristallo.

** = campo elettrico E normale all’asse principale del cristallo.

*** = campo elettrico E parallelo alla lamina di materiale.

**** = campo elettrico E normale alla lamina di materiale.

Resistività di volume e resistività superficiale

La resistività è una delle proprietà più importanti dei materiali isolanti. Analogamente a quella di un conduttore, la resistenza di un materiale isolante è la resistenza offerta dal percorso conduttivo al passaggio della corrente elettrica.

I materiali isolanti, come è logico attendersi, offrono una resistenza elettrica molto elevata.

Si definisce resistività di volume (volume resistivity) la resistenza elettrica fra le due facce opposte di un cubo unitario di un dato materiale, ad una specificata temperatura, nell’ipotesi che sia trascurabile la corrente superficiale che scorre superficialmente sulle superfici delle altre facce del cubo stesso.

La resistività può essere misurata mediante l’apparecchiatura rappresentata in fig. 1, in cui il provino di materiale isolante viene posto fra due elettrodi metallici,

Fig. 1. – Dispositivo per la misura della resistività di volume di un provino di materiale isolante disposto fra due elettrodi metallici e1 e e2. L’anello di guardia serve per impedire che la corrente dovuta alla resistenza superficiale attraversi lo strumento misuratore di corrente (microamperometro).

in presenza di un anello di guardia. La relazione fra la resistenza R e la resistività ρ è data dall’espressione: ρ – RS/d, in cui S è l’area delle facce del provino a contatto con gli elettrodi e d è la distanza fra le facce. Normalmente ρ si esprime in ohmcm.

Oltre alla resistività di volume è anche necessario considerare la resistività superficiale (surface resistivity, sheet resistivity), che è la resistenza fra due lati opposti di una pellicola superficiale del materiale avente un’area di 1 cm2. La fig. 2(a) mostra una lamina di materiale di spessore s molto piccolo, con lunghezza uguale alla larghezza (quadrato). La resistenza Rs (sheet resistance) di questa lamina è: Rs=ρl/(ls), in cui l è la misura della lunghezza, uguale a quella della larghezza della lamina. Si ha: Rs=ρl/(ls), cioè la resistenza superficiale è il rapporto fra la resistività di volume ρ e lo spessore della lamina sottile uniforme. Si osserva che il valore di Rs è indipendente dalla dimensione / del quadrato. L’unità di misura della resistenza superficiale (o resistività superficiale) è l’ohm; tuttavia per evitare confusione con i valori usuali di resistenza, la resistività superficiale viene espressa in ohm/quadrato(Ω/ □ ).

La misura della resistività superficiale di un materiale isolante si esegue, come è indicato in fig. 2(b), misurando la resistenza fra due elettrodi a coltello, lunghi 10 cm e appoggiati sulla superficie del provino parallelamente tra loro

Fig. 2.In (a), lamina sottile di materiale per la definizione della resistenza superficiale; in (b) dispositivo per la misura della resistività superficiale di un provino di materiale isolante.

alla distanza di 1 cm. Moltiplicando per 10 il valore della resistenza misurata si ha il valore della resistività superficiale.

Il valore della resistenza di un dato materiale isolante dipende da diversi fattori; la resistenza varia inversamente con la temperatura, è influenzata dal contenuto di umidità del materiale in prova (igroscopicità) ed è funzione del valore della tensione applicata e del tempo di applicazione di quest’ultima.

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