Rigidità dielettrica e potere isolante dei materiali
Un materiale isolante è un materiale in cui le cariche elettriche non sono libere di muoversi facilmente. Per questo motivo, vetro, plastica, gomma, ceramica, aria secca e molti altri materiali vengono usati per separare conduttori a diverso potenziale elettrico.
Tuttavia nessun isolante è perfetto. Se il campo elettrico diventa troppo intenso, anche un materiale normalmente isolante può perdere le sue proprietà e lasciar passare corrente. Questo fenomeno prende il nome di perforazione del dielettrico.
Questo limite è particolarmente importante nei condensatori. Tra le armature è infatti presente un campo elettrico che può raggiungere valori molto elevati. Se il campo supera la rigidità dielettrica del materiale isolante, il condensatore può danneggiarsi in modo irreversibile.
Il potere isolante dell’aria
L’aria è normalmente un buon isolante. Se due corpi carichi sono separati da uno strato d’aria, le cariche non passano spontaneamente da un corpo all’altro.
Ma se la differenza di potenziale diventa molto grande e la distanza tra i corpi è piccola, il campo elettrico può diventare così intenso da ionizzare le molecole dell’aria.
In altre parole, alcuni elettroni vengono strappati dagli atomi e dalle molecole dell’aria. A quel punto l’aria non si comporta più da isolante, ma diventa parzialmente conduttrice.
La rigidità dielettrica
La rigidità dielettrica di un materiale è il massimo valore del campo elettrico che quel materiale può sopportare senza perdere le proprie proprietà isolanti.
Per l’aria secca, in condizioni normali, il valore critico del campo elettrico è circa:
\(E_{cr}\approx3\cdot10^6\;V/m\)
Un valore di circa 3 milioni di volt per metro significa che, in condizioni normali, uno strato d’aria spesso 1 mm può sopportare una differenza di potenziale di circa 3000 V prima che si inneschi una scarica elettrica.
Questo significa che, quando il campo elettrico nell’aria raggiunge circa tre milioni di volt per metro, l’aria può andare incontro a scarica elettrica.
Scintille e scariche elettriche
Una scintilla è una piccola scarica elettrica attraverso l’aria. Si verifica quando il campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell’aria e crea un canale ionizzato attraverso cui le cariche possono muoversi.
Un esempio quotidiano si ha quando, dopo aver camminato su un tappeto o indossato alcuni indumenti sintetici, tocchiamo una maniglia metallica e sentiamo una piccola scossa. In quel momento si produce una breve scarica elettrica tra il nostro corpo e il metallo.
La scintilla è quindi il segno visibile del cedimento dell’isolante: l’aria, che prima impediva il passaggio della corrente, diventa per un istante conduttrice.
I fulmini: una scarica elettrica naturale
Il fulmine è una gigantesca scarica elettrica atmosferica. Durante un temporale, all’interno delle nubi si separano grandi quantità di carica elettrica. Alcune zone della nube diventano cariche positivamente, altre negativamente.
Quando la differenza di potenziale tra nube e suolo, oppure tra due nubi, diventa enorme, il campo elettrico può superare la rigidità dielettrica dell’aria.
A quel punto l’aria viene ionizzata e si forma un canale conduttore attraverso cui passa una corrente molto intensa. Il risultato è il fulmine.
La perforazione del dielettrico
La perforazione del dielettrico avviene quando un materiale isolante viene sottoposto a un campo elettrico superiore al valore che può sopportare.
In questa situazione il materiale può danneggiarsi in modo temporaneo o permanente. Nel caso dell’aria, dopo la scarica, il gas può tornare isolante. In altri materiali, come plastica, carta, mica o ceramica, la scarica può lasciare un canale bruciato o carbonizzato, rendendo il danno irreversibile.
Questo fenomeno è molto importante nella progettazione di cavi elettrici, condensatori, trasformatori e dispositivi ad alta tensione. Gli isolanti devono essere scelti in modo da sopportare il campo elettrico previsto senza arrivare alla scarica.
Tensione di lavoro dei condensatori
Ogni condensatore reale è progettato per funzionare al di sotto della rigidità dielettrica del materiale isolante utilizzato.
Per questo motivo sui condensatori viene indicata una tensione massima di lavoro, chiamata anche tensione nominale.
Superare tale valore può provocare la perforazione del dielettrico e il danneggiamento permanente del componente.
Per questo motivo, nella progettazione dei circuiti si utilizza quasi sempre un condensatore con una tensione nominale superiore alla massima tensione prevista durante il funzionamento.
Un condensatore elettrolitico con tensione nominale di 25 V deve essere utilizzato in circuiti che non superino tale valore. Se viene collegato accidentalmente a una tensione molto maggiore, il dielettrico può perforarsi e il componente può guastarsi in modo permanente.
Rigidità dielettrica e distanza
Il campo elettrico tra due punti può essere collegato alla differenza di potenziale e alla distanza mediante la relazione:
\(E=\frac{\Delta V}{d}\)
Questa formula mostra che, a parità di tensione, diminuendo la distanza aumenta il campo elettrico.
Per questo motivo una scintilla si produce più facilmente tra due punte metalliche vicine che tra due superfici lontane. Le punte concentrano il campo elettrico e facilitano la ionizzazione dell’aria.
Tabella indicativa della rigidità dielettrica
I valori riportati sono indicativi: la rigidità dielettrica dipende dal tipo preciso di materiale, dallo spessore, dalla temperatura, dall’umidità e dalle condizioni di prova.
I materiali con elevata rigidità dielettrica consentono di applicare tensioni maggiori senza provocare scariche elettriche. Per questo motivo vengono utilizzati nei condensatori, negli isolatori delle linee elettriche e nei dispositivi ad alta tensione.
Il significato fisico
La rigidità dielettrica ci ricorda che l’isolamento elettrico non è una proprietà assoluta, ma dipende dall’intensità del campo elettrico applicato.
Un materiale può comportarsi da ottimo isolante in condizioni normali, ma diventare conduttore se sottoposto a una tensione troppo alta o se lo spessore isolante è troppo piccolo.
Per questo motivo, nei dispositivi elettrici reali, non basta scegliere un materiale isolante: bisogna anche valutare lo spessore, la forma dei conduttori, la distanza tra le parti metalliche e le condizioni ambientali, come umidità e temperatura.
Conclusione
La rigidità dielettrica rappresenta il limite oltre il quale un isolante non riesce più a opporsi al passaggio delle cariche. Scintille, fulmini e perforazione dei dielettrici sono manifestazioni diverse dello stesso fenomeno: il cedimento dell’isolamento sotto l’azione di un campo elettrico troppo intenso.
Questo concetto è fondamentale per comprendere il comportamento reale dei materiali isolanti e prepara il passo successivo: sfruttare campi elettrici molto intensi senza provocare la perforazione del dielettrico.
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È possibile sfruttare un campo elettrico intenso senza arrivare alla scarica?
