Polarizzazione nei dielettrici

Indice dei temi svolti di fisica:
Autore: Antonio Pierro
Giochi matematici
polarizzazione elettrica della materia: aspetti tecnici e sperimentali
Il termine polarizzazione, riferito a dei materiali, si usa per indicare la presenza di un dipolo
elettrico macroscopico in un solido (o in un liquido); più correttamente un materiale risponde allo
stimolo di un campo elettrico esterno formando un dipolo, cioè polarizzandosi. Ovvero la
polarizzazione elettrica o dielettrica è la presenza di cariche superficiali in un corpo di materiale
isolante sottoposto ad un campo elettrico.
In un materiale reale è disponibile una certa densità di carica libera (ρf), cioè che può spostarsi con
minima resistenza in tutto il solido, e una certa densità di carica legata (ρb) che rimane in un certo
senso confinata vicino alla propria posizione di riposo. La carica legata è anche definita in modo da
essere nulla a riposo, è quindi formata dalla sovrapposizione della carica negativa degli elettroni e
dalla carica positiva dei nuclei degli atomi del materiale.
Polarizzazione nei dielettrici
L'effetto macroscopico della polarizzazione di un dielettrico è la formazione di un dipolo orientato
in modo tale da contrastare il campo elettrico esterno. Tuttavia i dielettrici sono elettricamente
neutri e non contengono cariche elettriche libere e quindi non riescono a schermare completamente
il campo esterno. Ovvero la polarizzazione elettrica o dielettrica è la presenza di cariche superficiali
in un corpo di materiale isolante sottoposto ad un campo elettrico; la somma algebrica delle cariche
dovute alla polarizzazione elettrica è nulla e il fenomeno scompare, in generale, al cessare del
campo elettrico esterno. L'effetto di schermo è limitato alle deformazioni della struttura elettronica
microscopica attorno alla posizione di equilibrio: gli elettroni possono deformare i propri orbitali
spostando leggermente la propria posizione rispetto ai nuclei. Di conseguenza si forma un dipolo di
piccolissima intensità per ogni atomo del materiale, la somma dei dipoli microscopici produce il
dipolo totale del solido.
Esistono alcuni materiali dielettrici particolari, cosiddetti ferroelettrici, che mantengono la
polarizzazione anche quando lo stimolo esterno viene a mancare; questi materiali hanno solitamente
proprietà piezoelettriche.
Si hanno in generale due tipi di polarizzazione elettrica: la polarizzazione per deformazione e la
polarizzazione per orientamento.
•
Polarizzazione per deformazione
Si tratta della piccola deformazione che si crea nel singolo atomo per via della presenza di un
campo elettrico esterno. Il nucleo positivo subisce una forza elettrica proporzionale al microcampo
elettrico all'interno del materiale chiamato campo locale, creando così un momento di dipolo non
nullo:
dove αd è il coefficiente detto di polarizzazione elettronica per deformazione
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Polarizzazione per orientamento
Molte molecole invece sono dotate di un momento di dipolo intrinseco, o per il tipo di legame per
esempio ionico, o per l'asimmetria delle molecole. Tuttavia tale momento di dipolo è mediamente
nullo conteggiando tutte le molecole perché gli orientamenti di tali momenti sono distribuiti in
maniera casuale. Se è presente un campo elettrico esterno invece, i momenti di dipolo si orientano
parallelamente ad esso e il suo valore medio è quindi diverso da zero. Il calcolo del valore medio
dei momenti di dipolo si effettua con la funzione di Boltzmann e riportiamo solo il risultato:
dove K è la costante di Boltzmann, T è la temperatura in Kelvin, e è il momento di dipolo
intrinseco. Infine αo è il coefficiente di polarizzazione elettronica per orientamento.