Permittività elettrica




In elettromagnetismo e nella fisica dello stato solido, la permittività elettrica o permettività elettrica,[1] anche chiamata semplicemente permittività o permettività, è una grandezza fisica che descrive il comportamento di un materiale dielettrico in presenza di un campo elettrico. In particolare, quantifica la tendenza del materiale a contrastare l'intensità del campo elettrico presente al suo interno.




Indice






  • 1 Descrizione


    • 1.1 Definizione




  • 2 Permittività elettrica relativa


  • 3 Modello per la permittività elettrica


  • 4 Dispersione e causalità


    • 4.1 Suscettività elettrica


    • 4.2 Permittività complessa


    • 4.3 Polarizzazione




  • 5 Importanza in chimica


  • 6 Note


  • 7 Bibliografia


  • 8 Voci correlate


  • 9 Collegamenti esterni





Descrizione |


La permittività elettrica è fortemente legata alla suscettività elettrica, una proprietà del materiale che ne misura la predisposizione a polarizzarsi quando viene applicato un campo elettrico. La polarizzazione di atomi e molecole produce un campo elettrico aggiuntivo nel materiale, descritto attraverso il vettore induzione elettrica, e la permittività elettrica ne quantifica l'entità per unità di carica elettrica.


Normalmente la permittività elettrica è indicata col simbolo ε{displaystyle varepsilon }varepsilon, e il suo valore viene solitamente scritto come prodotto ε0{displaystyle varepsilon =varepsilon _{r}varepsilon _{0}}varepsilon =  varepsilon_r  varepsilon_0 della permittività relativa εr{displaystyle varepsilon _{r}}varepsilon_r e della permettività del vuoto ε0{displaystyle varepsilon _{0}}varepsilon_0,[2] detta anche costante dielettrica del vuoto.


Poiché la permittività elettrica varia a seconda della direzione del campo elettrico rispetto al mezzo, essa è rappresentata attraverso un tensore, che è una descrizione locale funzione delle coordinate del punto e indipendente dalla scelta del sistema di riferimento. Solo in particolari condizioni - ovvero nel caso si consideri un materiale lineare, omogeneo e isotropo - tutte le componenti del tensore hanno lo stesso valore e la permittività può essere trattata come uno scalare, chiamato impropriamente costante dielettrica.


La permittività di un materiale varia anche a seconda della frequenza del campo elettrico. Per descrivere tale dipendenza si utilizza una funzione complessa della frequenza, attraverso la quale è possibile trattare la propagazione del campo elettromagnetico in mezzi dissipativi (cioè a conducibilità finita) o dispersivi (cioè le cui proprietà elettromagnetiche variano al variare della frequenza dei campi incidenti). Il valore in una data direzione della permittività è quindi un numero complesso, che permette di descrivere la proporzionalità e lo sfasamento fra la polarizzazione nel dielettrico e il campo esterno forzante.


Quando si analizza la permittività dal punto di vista della frequenza del campo si nota che essa può presentare un comportamento anomalo in corrispondenza di certe lunghezze d'onda. Infatti, la parte immaginaria della permittività elettrica segue un andamento risonante in corrispondenza dei suoi poli, dove presenta uno o più picchi. In corrispondenza di questi picchi l'assorbimento da parte del materiale dell'energia posseduta dal campo è massimo.



Definizione |


Il vettore induzione elettrica D{displaystyle mathbf {D} }mathbf{D} descrive il modo in cui un campo elettrico E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E} influenza la disposizione delle cariche elettriche in un mezzo, tenendo conto della polarizzazione elettrica del materiale.


La permittività elettrica ε{displaystyle varepsilon }varepsilon è la funzione complessa tale che:


D=εE{displaystyle mathbf {D} =varepsilon mathbf {E} }mathbf{D}=varepsilon mathbf{E}

Si tratta di una grandezza che dipende in generale da diversi parametri, tra i quali la posizione nel mezzo, la frequenza del campo applicato, la temperatura o l'umidità. In particolare, se il materiale è omogeneo e anisotropo la costante dielettrica diventa una matrice; se non è omogeneo i coefficienti della matrice sono una funzione della posizione, e se non è lineare la costante dielettrica dipende dal campo elettrico, ed in generale anche dal tempo. Se la permittività elettrica dipende dalla frequenza il mezzo si dice dispersivo.[3]


Nel caso in cui il mezzo sia lineare, omogeneo e isotropo, ponendo che la sua risposta all'applicazione del campo sia istantanea, la permittività elettrica è uno scalare. Se il materiale non è isotropo la permittività elettrica è un tensore del secondo ordine.


La permittività elettrica si misura in farad al metro nel SI:


Fm=C2m⋅J=C2m2⋅N=A2⋅s4m3⋅kg{displaystyle mathrm {{frac {F}{m}}={frac {C^{2}}{mcdot J}}={frac {C^{2}}{m^{2}cdot N}}={frac {A^{2}cdot s^{4}}{m^{3}cdot kg}}} }{displaystyle mathrm {{frac {F}{m}}={frac {C^{2}}{mcdot J}}={frac {C^{2}}{m^{2}cdot N}}={frac {A^{2}cdot s^{4}}{m^{3}cdot kg}}} }


Permittività elettrica relativa |


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Lo stesso argomento in dettaglio: Polarizzazione elettrica.

La maggior parte dei materiali isolanti può essere trattata come un dielettrico lineare omogeneo ed isotropo; questo significa che tra il dipolo indotto nel materiale ed il campo elettrico esterno sussiste una relazione lineare. Si tratta di un'approssimazione di largo utilizzo, ed in tal caso i campi E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E} e D{displaystyle mathbf {D} }mathbf{D} sono equivalenti a meno di un fattore di scala:[4]


D=ε0E+P=ε0(1+χ)E=ε0E=εE{displaystyle mathbf {D} =varepsilon _{0}mathbf {E} +mathbf {P} =varepsilon _{0}(1+chi )mathbf {E} =varepsilon _{r}varepsilon _{0}mathbf {E} =varepsilon mathbf {E} }{displaystyle mathbf {D} =varepsilon _{0}mathbf {E} +mathbf {P} =varepsilon _{0}(1+chi )mathbf {E} =varepsilon _{r}varepsilon _{0}mathbf {E} =varepsilon mathbf {E} }

Il numero ε0{displaystyle varepsilon _{0}}varepsilon_0 è una costante detta permittività elettrica del vuoto che vale:


ε0=1c2μ0≈8,8541878176⋅10−12 Fm{displaystyle varepsilon _{0}={frac {1}{{c}^{2}mu _{0}}}approx 8{,}8541878176cdot 10^{-12} mathrm {frac {F}{m}} }{displaystyle varepsilon _{0}={frac {1}{{c}^{2}mu _{0}}}approx 8{,}8541878176cdot 10^{-12} mathrm {frac {F}{m}} }

dove c{displaystyle c}c è la velocità della luce nel vuoto e μ0{displaystyle mu _{0}}mu_0 è la permeabilità magnetica nel vuoto.


Il numero εr{displaystyle varepsilon _{r}}varepsilon_r (elemento di un tensore) è la permittività elettrica relativa, mentre χ{displaystyle chi }chi è la suscettività elettrica del mezzo, che è definita come la costante di proporzionalità tra il campo E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E} ed il conseguente vettore di polarizzazione P{displaystyle mathbf {P} }mathbf{P}.


Come conseguenza si ha:


P=(εr−1)ε0E=εE{displaystyle mathbf {P} =(varepsilon _{r}-1)varepsilon _{0}mathbf {E} =varepsilon _{0}chi mathbf {E} }mathbf{P} = (varepsilon_r-1)varepsilon_0mathbf{E} = varepsilon_{0} chi mathbf{E}

La suscettività è quindi legata alla permittività relativa εr{displaystyle varepsilon _{r}}varepsilon_r mediante la relazione:


χr−1{displaystyle chi =varepsilon _{r}-1}{displaystyle chi =varepsilon _{r}-1}

(che nel vuoto diventa χ=0{displaystyle chi =0}{displaystyle chi =0}), ed è legata alla polarizzabilità delle singole particelle attraverso l'equazione di Clausius-Mossotti.


Nel dominio delle frequenze, per un mezzo lineare e indipendente dal tempo sussiste la relazione:


D(ν)=ε)E(ν){displaystyle mathbf {D(nu )} =varepsilon (nu )mathbf {E} (nu )} mathbf{D(nu)} = varepsilon (nu) mathbf{E}(nu)

dove ν{displaystyle nu }nu è la frequenza del campo. Il vettore di polarizzazione per un mezzo non lineare, né omogeneo, né isotropo, dipende a sua volta dal campo attraverso il tensore di polarizzazione.


La velocità di fase v=cn{displaystyle v={c over n}}v = {c over n} del campo elettromagnetico che si propaga nel mezzo è inoltre data da:


εμ=1v2{displaystyle varepsilon mu ={frac {1}{v^{2}}}}varepsilon mu = frac{1}{v^2}

Nel caso dell'aria, la permittività elettrica è εr=1,00059{displaystyle varepsilon _{r}=1{,}00059}varepsilon_r = 1{,}00059, approssimata ad 1 che è il valore assegnato alla costante dielettrica relativa nel vuoto. L'aria è l'unico mezzo fisico che di fatto viene assimilato allo spazio vuoto.



Modello per la permittività elettrica |






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Lo stesso argomento in dettaglio: Polarizzabilità.

In un dielettrico perfetto per descrivere la formazione di un dipolo elettrico si assume che le cariche e{displaystyle e}e, costituite da elettroni o ioni di massa m{displaystyle m}m, siano legate agli atomi attraverso una forza F{displaystyle mathbf {F} }mathbf F di tipo armonico:


F=−02x=−eE{displaystyle mathbf {F} =-momega _{0}^{2}mathbf {x} =-emathbf {E} }mathbf F = -m omega_0^2 mathbf x = - e mathbf E

dove ω0{displaystyle omega _{0}}omega _{0} la frequenza di oscillazione attorno al punto di equilibrio ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E il campo applicato. Il momento di dipolo elettrico indotto è dato pertanto dalla relazione:


p=ex=e2mω02E{displaystyle mathbf {p} =emathbf {x} ={frac {e^{2}}{momega _{0}^{2}}}mathbf {E} }mathbf p = e mathbf x = frac{e^2}{m omega_0^2} mathbf E

Si consideri ora un dielettrico non ideale ed un campo elettrico E(x,t){displaystyle mathbf {E} (mathbf {x} ,t)}mathbf E (mathbf x , t) oscillante, cioè dipendente dal tempo per mezzo di un fattore eiωt{displaystyle e^{iomega t}}e^{i omega t}. L'equazione del moto per le cariche deve essere modificata in modo da tenere conto degli effetti di smorzamento, che sono in genere proporzionali alla velocità per mezzo di una costante di smorzamento γ{displaystyle gamma }gamma . Si ha pertanto:


F=mx¨=−02x−eE(x,t){displaystyle mathbf {F} =m{ddot {mathbf {x} }}=-mgamma {dot {mathbf {x} }}-momega _{0}^{2}mathbf {x} -emathbf {E} (mathbf {x} ,t)}mathbf F = m ddot mathbf x = -mgamma dot mathbf x -m omega_0^2 mathbf x - e mathbf E (mathbf x , t)

e l'equazione del moto assume pertanto la forma:[5]


m[x¨02x]=−eE(x,t){displaystyle m[{ddot {mathbf {x} }}+gamma {dot {mathbf {x} }}+omega _{0}^{2}mathbf {x} ]=-emathbf {E} (mathbf {x} ,t)} m [ddot mathbf x + gamma dot mathbf x + omega_0^2 mathbf x ] = - e mathbf E (mathbf x , t)

Grazie alla dipendenza eiωt{displaystyle e^{iomega t}}e^{i omega t} del campo si può porre x=x0eiωt{displaystyle mathbf {x} =mathbf {x} _{0}e^{iomega t}}mathbf x = mathbf x_0 e^{i omega t}. Inserendo le derivate di x{displaystyle mathbf {x} }mathbf x nell'equazione del moto si ottiene:


x=em(ω02−ω2−γ)E{displaystyle mathbf {x} ={frac {e}{m(omega _{0}^{2}-omega ^{2}-iomega gamma )}}mathbf {E} } mathbf x = frac{e}{m (omega_0^2 - omega^2 - i omega gamma)} mathbf E

Quindi il momento di dipolo per il singolo elettrone è dato da:


p=−ex=e2m(ω02−ω2−γ)E{displaystyle mathbf {p} =-emathbf {x} ={frac {e^{2}}{m(omega _{0}^{2}-omega ^{2}-iomega gamma )}}mathbf {E} }mathbf p = - e mathbf x = frac{e^2}{m (omega_0^2 - omega^2 - i omega gamma)} mathbf E

Si supponga vi siano N{displaystyle N}N molecole per unità di volume con Z{displaystyle Z}Z elettroni ciascuna, e che per ogni molecola vi siano fj{displaystyle f_{j}}f_{j} elettroni legati da una forza armonica con frequenza ωj{displaystyle omega _{j}}omega_j e costante di smorzamento γj{displaystyle gamma _{j}}gamma_j. Dal momento che:


D=ε)E=ε0E+εE=ε0E+P=ε0E+Np{displaystyle mathbf {D} =varepsilon (omega )mathbf {E} =varepsilon _{0}mathbf {E} +varepsilon _{0}chi mathbf {E} =varepsilon _{0}mathbf {E} +mathbf {P} =varepsilon _{0}mathbf {E} +Nmathbf {p} }mathbf D = varepsilon (omega) mathbf E = varepsilon_0 mathbf E + varepsilon_{0} chi mathbf{E} = varepsilon_0 mathbf E + mathbf P = varepsilon_0 mathbf E + N mathbf p

dove χ{displaystyle chi }chi è la suscettività elettrica e P{displaystyle mathbf {P} }mathbf P la polarizzazione elettrica, l'espressione della permittività elettrica è la seguente:[6]


ε0=1+χ=1+Ne2ε0m∑jfjωj2−ω2−{displaystyle {frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}=1+chi =1+{frac {Ne^{2}}{varepsilon _{0}m}}sum _{j}{frac {f_{j}}{omega _{j}^{2}-omega ^{2}-iomega _{j}gamma }}} frac{varepsilon (omega)}{varepsilon_0} = 1 + chi = 1 + frac{N e^2}{varepsilon_0 m} sum_j frac{f_j}{omega_j^2 - omega^2 - i omega_j gamma}

con:


jfj=Z{displaystyle sum _{j}f_{j}=Z}sum_j f_j = Z

Si nota che nei materiali conduttori la frequenza ω=0{displaystyle omega =0}omega =0 è risonante. Il valore di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon (omega) è solitamente reale, eccetto nel range prossimo alle frequenze di risonanza, in cui la parte reale del denominatore si avvicina a zero.


Il modello sviluppato permette di distinguere due tipologie di dispersione:



  • Si definisce dispersione normale la dispersione in una regione dello spettro lontana dalle frequenze di risonanza, in cui la parte reale di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon (omega) aumenta al crescere di ω{displaystyle omega }omega .

  • Si definisce dispersione anomala la dispersione in prossimità dalle frequenze di risonanza, in cui la parte reale di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon (omega) decresce al crescere di ω{displaystyle omega }omega . In tal caso la parte immaginaria ){displaystyle Im (varepsilon )}Im (varepsilon ) di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon (omega) è significativa: tale fenomeno è detto assorbimento risonante.


Si verifica talvolta che )<0{displaystyle Im (varepsilon )<0}Im (varepsilon ) < 0: in tal caso il materiale cede energia al campo, e tale fenomeno è sfruttato ad esempio nella realizzazione del laser.


La dipendenza della permittività elettrica dalla frequenza del campo è rilevante quando la relativa lunghezza d'onda ha lo stesso ordine di grandezza dell'ampiezza dell'oscillazione delle cariche. Nei materiali dielettrici, pertanto, la polarizzazione avviene solitamente a partire da lunghezze d'onda confrontabili con la dimensione atomica o molecolare, che corrispondono alla regione dello spettro al di sotto del visibile. Nei conduttori, invece, le oscillazioni compiute dagli elettroni liberi sono di ampiezza maggiore poiché non vengono smorzate dalla vicinanza dei nuclei, e la modellizzazione della permittività elettrica diventa più elaborata.



Dispersione e causalità |


La polarizzazione di un materiale in risposta ad un campo elettrico non è in generale istantanea. Il fatto che la permittività elettrica dipenda dalla frequenza implica che la relazione tra i campi E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E e D{displaystyle mathbf {D} }mathbf D, data da:


D(x,ω)=ε)E(x,ω){displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,omega )=varepsilon (omega )mathbf {E} (mathbf {x} ,omega )}mathbf D (mathbf x , omega) = varepsilon (omega) mathbf E (mathbf x , omega)

è temporalmente non-locale. Considerando la rappresentazione per mezzo della trasformata di Fourier:


D(x,t)=12πD(x,ω)e−tdωD(x,ω)=12πD(x,t′)eiωt′dt′{displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,t)={frac {1}{sqrt {2pi }}}int _{-infty }^{infty }mathbf {D} (mathbf {x} ,omega )e^{-iomega t}domega qquad mathbf {D} (mathbf {x} ,omega )={frac {1}{sqrt {2pi }}}int _{-infty }^{infty }mathbf {D} (mathbf {x} ,t')e^{iomega t'}dt'}mathbf D (mathbf x , t) = frac{1}{sqrt{2pi}}int_{-infty}^{infty} mathbf D (mathbf x , omega) e^{-i omega t} d omega qquad mathbf D (mathbf x , omega) = frac{1}{sqrt{2pi}}int_{-infty}^{infty} mathbf D (mathbf x , t') e^{i omega t'} d t'

ed inserendola nella precedente relazione, si ottiene:


D(x,t)=12πε)E(x,ω)e−tdω{displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,t)={frac {1}{sqrt {2pi }}}int _{-infty }^{infty }varepsilon (omega )mathbf {E} (mathbf {x} ,omega )e^{-iomega t}domega }mathbf D (mathbf x , t) = frac{1}{sqrt{2pi}}int_{-infty}^{infty} varepsilon (omega)mathbf E (mathbf x , omega) e^{-i omega t} d omega

Inserendo in tale espressione l'analoga rappresentazione di Fourier per E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E, si ha:


D(x,t)=12πε)e−tdωE(x,t′)eiωt′dt′{displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,t)={frac {1}{2pi }}int _{-infty }^{infty }varepsilon (omega )e^{-iomega t}domega int _{-infty }^{infty }mathbf {E} (mathbf {x} ,t')e^{iomega t'}dt'}mathbf D (mathbf x , t) = frac{1}{2pi}int_{-infty}^{infty} varepsilon (omega) e^{-i omega t} d omega int_{-infty}^{infty} mathbf E (mathbf x , t') e^{i omega t'}dt'

Ponendo che si possa invertire l'ordine di integrazione:[7]


D(x,t)=ε0[E(x,t)+∫χ(t′)E(x,t−t′)dt′]{displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,t)=varepsilon _{0}left[mathbf {E} (mathbf {x} ,t)+int _{-infty }^{infty }chi (t')mathbf {E} (mathbf {x} ,t-t')dt'right]}mathbf D (mathbf x , t) = varepsilon_0 left[ mathbf E (mathbf x , t) + int_{-infty}^{infty} chi(t') mathbf E (mathbf x , t-t')dt' right]

dove χ(t′){displaystyle chi (t')}chi(t') è la trasformata di Fourier di χ){displaystyle chi (omega )}chi(omega):


χ(t′)=12πχ)e−t′dω=12π0−1)e−t′dω{displaystyle chi (t')={frac {1}{2pi }}int _{-infty }^{infty }chi (omega )e^{-iomega t'}domega ={frac {1}{2pi }}int _{-infty }^{infty }left({frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}-1right)e^{-iomega t'}domega }chi(t') = frac{1}{2pi}int_{-infty}^{infty} chi (omega) e^{-i omega t'} d omega = frac{1}{2pi}int_{-infty}^{infty} left( frac{varepsilon(omega)}{varepsilon_0} -1 right) e^{-i omega t'} d omega

I campi D{displaystyle mathbf {D} }mathbf D ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E sono dunque funzione di t{displaystyle t}t in due tempi diversi, in quanto il campo che si manifesta nel materiale al tempo t{displaystyle t}t in seguito alla polarizzazione atomica e molecolare dipende dal campo esterno E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E ad un diverso istante temporale.



Suscettività elettrica |






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Lo stesso argomento in dettaglio: Suscettività elettrica.

Si consideri un modello per la permittività elettrica in cui vi sia una sola frequenza di risonanza. In accordo con la descrizione di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon(omega) mostrata in precedenza, si ha:


ε0=1+χe=1+ωp2ω02−ω2−{displaystyle {frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}=1+chi _{e}=1+{frac {omega _{p}^{2}}{omega _{0}^{2}-omega ^{2}-iomega _{j}gamma }}} frac{varepsilon (omega)}{varepsilon_0} = 1 + chi_e = 1 + frac{omega_p^2}{omega_0^2 - omega^2 - i omega_j gamma}

La trasformata della suscettività elettrica assume in tal caso la forma:[8]


χ(t′)=ωp22πe−t′ω02−ω2−p2e−γt′2sin⁡0t′)ν(t′){displaystyle chi (t')={frac {omega _{p}^{2}}{2pi }}int _{-infty }^{infty }{frac {e^{-iomega t'}}{omega _{0}^{2}-omega ^{2}-iomega _{j}gamma }}domega =omega _{p}^{2}e^{-{frac {gamma t'}{2}}}{frac {sin(nu _{0}t')}{nu _{0}}}theta (t')} chi(t') = frac{omega_p^2}{2pi} int_{-infty}^{infty} frac{e^{-i omega t'}}{omega_0^2 - omega^2 - i omega_j gamma}domega = omega_p^2 e^{-frac{gamma t'}{2}} frac{sin (nu_0 t')}{nu_0}theta(t')

dove θ(t′){displaystyle theta (t')}theta(t') è la funzione gradino e:


ν02=ω02−γ24{displaystyle nu _{0}^{2}=omega _{0}^{2}-{frac {gamma ^{2}}{4}}}nu_0^2 = omega_0^2 - frac{gamma^2}{4}

La funzione χ(t′){displaystyle chi (t')} chi(t') oscilla con uno smorzamento dato dal termine esponenziale, in cui compare la costante di smorzamento della forza armonica che agisce sulle cariche. La presenza della funzione gradino garantisce il rispetto del principio di causalità, poiché annulla χ(t′){displaystyle chi (t')} chi(t') per tempi negativi.


Si giunge in questo modo all'espressione più generale che lega i campi D{displaystyle mathbf {D} }mathbf D ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf E in un mezzo uniforme ed isotropo:[9]


D(x,t)=ε0[E(x,t)+∫0∞χ(t′)E(x,t−t′)dt′]{displaystyle mathbf {D} (mathbf {x} ,t)=varepsilon _{0}left[mathbf {E} (mathbf {x} ,t)+int _{0}^{infty }chi (t')mathbf {E} (mathbf {x} ,t-t')dt'right]}mathbf D (mathbf x , t) = varepsilon_0 left[ mathbf E (mathbf x , t) + int_{0}^{infty} chi(t') mathbf E (mathbf x , t-t')dt' right]

dove l'integrazione avviene a partire da t′=0{displaystyle t'=0}t'=0. Si tratta di una relazione causale, spazialmente locale e lineare.



Permittività complessa |




Spettro in frequenza della permittività elettrica dell'aria, in cui ε′{displaystyle varepsilon '}varepsilon' è la parte reale, che caratterizza l'energia immagazzinata nel mezzo, mentre ε″{displaystyle varepsilon ''}varepsilon'' è la parte immaginaria, e descrive la dissipazione di energia nel mezzo. Si evidenziano sistemi fisici che ne determinano l'andamento in corrispondenza del rispettivo range di frequenze caratteristico.[10]


La permittività elettrica è espressa attraverso la relazione:


ε0=1+∫0∞χ(t′)eiωt′dt′{displaystyle {frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}=1+int _{0}^{infty }chi (t')e^{iomega t'}dt'} frac{varepsilon (omega)}{varepsilon_0} = 1 + int_{0}^{infty} chi(t')e^{i omega t'}dt'

dalla quale si evince che se la suscettività è finita ad ogni tempo e si annulla ad un tempo infinito, allora la permittività elettrica è una funzione analitica nel semipiano superiore del piano complesso.


Il fatto che in seguito all'applicazione di un campo elettrico la polarizzazione elettrica non sia istantanea, e che pertanto la risposta del mezzo dipenda dalla frequenza del campo, viene espresso attraverso una differenza di fase tra il campo e la risposta del materiale. La dipendenza dalla frequenza motiva pertanto il fatto che la permittività sia descritta da una funzione complessa ε^){displaystyle {widehat {varepsilon }}(omega )}widehat{varepsilon}(omega) della frequenza angolare, poiché in questo modo è possibile specificarne ampiezza e sfasamento. La definizione può essere scritta nella forma:


D0e−t=ε^)E0e−t{displaystyle D_{0}e^{-iomega t}={widehat {varepsilon }}(omega )E_{0}e^{-iomega t}}D_0 e^{-i omega t} = widehat{varepsilon}(omega) E_0 e^{-i omega t}

dove D0{displaystyle D_{0}}D_0 ed E0{displaystyle E_{0}}E_{0} sono le ampiezze dei campi D{displaystyle mathbf {D} }mathbf{D} ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E}. La risposta del mezzo ad un campo elettrico statico è descritta dal limite alle basse frequenze, nel quale la permittività viene detta permittività statica e viene denotata con εs{displaystyle varepsilon _{text{s}}}varepsilon_{text{s}}. In tale limite si ha:


εs=limω^){displaystyle varepsilon _{text{s}}=lim _{omega rightarrow 0}{widehat {varepsilon }}(omega )}varepsilon_{text{s}} = lim_{omega rightarrow 0} widehat{varepsilon}(omega)

Mentre la permittività statica consente una buona approssimazione per basse frequenze del campo, al crescere della frequenza lo sfasamento δ{displaystyle delta }delta tra D{displaystyle mathbf {D} }mathbf{D} ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E} diventa significativo. Il range di frequenze nel quale inizia a manifestarsi tale differenza di fase dipende dalla temperatura e dalle caratteristiche del materiale. Per D0{displaystyle D_{0}}D_0 ed E0{displaystyle E_{0}}E_{0} relativamente piccoli i campi rimangono proporzionali, e si ha:


ε^=D0E0=|ε|eiδε^)=D0E0(cos⁡δ+isin⁡δ){displaystyle {widehat {varepsilon }}={frac {D_{0}}{E_{0}}}=|varepsilon |e^{idelta }qquad {widehat {varepsilon }}(omega )={frac {D_{0}}{E_{0}}}left(cos delta +isin delta right)}widehat{varepsilon} = frac{D_0}{E_0} = |varepsilon|e^{idelta} qquad widehat{varepsilon}(omega) = frac{D_0}{E_0} left( cosdelta + isindelta right)

La funzione ε^){displaystyle {widehat {varepsilon }}(omega )}widehat{varepsilon}(omega), essendo analitica nel semipiano superiore ed avendo poli soltanto per frequenze con parte immaginaria positiva, soddisfa le relazioni di Kramers-Kronig:[11]


0]=1+1πP∫′)ε0)ω′−ω′ℑ0]=−P∫′)ε0)−′−ω′{displaystyle Re left[{frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}right]=1+{frac {1}{pi }}{mathcal {P}}int _{-infty }^{infty }{frac {Im left({frac {varepsilon (omega ')}{varepsilon _{0}}}right)}{omega '-omega }}domega 'qquad Im left[{frac {varepsilon (omega )}{varepsilon _{0}}}right]=-{frac {1}{pi }}{mathcal {P}}int _{-infty }^{infty }{frac {Re left({frac {varepsilon (omega ')}{varepsilon _{0}}}right)-1}{omega '-omega }}domega '} Re left[frac{varepsilon (omega)}{varepsilon_0} right] = 1 + frac{1}{pi} mathcal{P} int_{-infty}^{infty}frac{Im left(frac{varepsilon (omega')}{varepsilon_0} right)}{omega' - omega} domega' qquad Im left[frac{varepsilon (omega)}{varepsilon_0} right] = - frac{1}{pi} mathcal{P} int_{-infty}^{infty}frac{Re left( frac{varepsilon (omega')}{varepsilon_0}right) - 1 }{omega' - omega} domega'

dove P{displaystyle {mathcal {P}}}{mathcal  {P}} denota il valore principale di Cauchy. La parte reale caratterizza l'energia immagazzinata nel mezzo, mentre la parte immaginaria descrive la dissipazione di energia nel mezzo. In particolare, se la parte immaginaria di è positiva il campo cede energia al materiale, mentre se è negativa è il mezzo a fornire energia al campo.


Nei solidi, la funzione dielettrica ottica è data da:[12]


ε)=1+8π2e2m2∑c,v∫Wc,v(E)[φ(ℏωE)−φ(ℏω+E)]dx{displaystyle varepsilon (omega )=1+{frac {8pi ^{2}e^{2}}{m^{2}}}sum _{c,v}int W_{c,v}(E)left[varphi (hbar omega -E)-varphi (hbar omega +E)right],dx}varepsilon(omega)=1+frac{8pi^2e^2}{m^2}sum_{c,v}int W_{c,v}(E) left[ varphi (hbar omega - E)-varphi( hbar omega +E) right ] , dx

dove Wc,v(E){displaystyle W_{c,v}(E)}W_{c,v}(E) rappresenta il prodotto della probabilità di transizione, mediata nella zona di Brillouin e relativa all'energia E{displaystyle E}E, con la densità di stati.[13][14] La funzione φ{displaystyle varphi }varphi determina inoltre lo sparpagliamento dei livelli energetici in seguito allo scattering,[15] e solitamente è una via intermedia tra una lorentziana ed una gaussiana.[16][17] La parte immaginaria di ε){displaystyle varepsilon (omega )}varepsilon(omega) è così direttamente collegata con la probabilità di assorbimento di fotoni da parte del mezzo. Nel limite alle alte frequenze la permittività complessa è talvolta denotata con ε{displaystyle varepsilon _{infty }}varepsilon_{infty}, ed oltre la frequenza di plasma i dielettrici si comportano come metalli ideali.



Polarizzazione |


Il vettore di polarizzazione risulta essere una funzione dipendente dal tempo:


P(t)=ε0∫(t−t′)E(t′)dt′{displaystyle mathbf {P} (t)=varepsilon _{0}int _{-infty }^{t}chi (t-t')mathbf {E} (t'),dt'}mathbf{P}(t)=varepsilon_0 int_{-infty}^t chi(t-t') mathbf{E}(t'), dt'

Tale definizione è generale, in quanto tiene conto della non-località della relazione tra P{displaystyle mathbf {P} }mathbf{P} ed E{displaystyle mathbf {E} }mathbf{E}: la polarizzazione è la convoluzione del campo elettrico a tempi precedenti con la suscettività dipendente dal tempo χ(t−t′){displaystyle chi (t-t')}chi(t-t'). Il limite superiore di tale integrale può essere esteso all'infinito definendo:


χ(t−t′)=0t−t′<0{displaystyle chi (t-t')=0qquad t-t'<0}chi(t-t') = 0 qquad t-t' < 0

Una risposta isantanea corrisponde matematicamente alla delta di Dirac:


χ(t−t′)=χδ(t−t′){displaystyle chi (t-t')=chi delta (t-t')}chi(t-t') = chi delta(t-t')

In un sistema lineare è conveniente considerare la trasformata di Fourier e scrivere la precedente relazione nel dominio della frequenza, nel quale per il teorema di convoluzione il prodotto di convoluzione di due funzioni viene espresso con il prodotto semplice delle rispettive trasformate:


P(ω)=ε)E(ω){displaystyle mathbf {P} (omega )=varepsilon _{0}chi (omega )mathbf {E} (omega )}mathbf{P}(omega)=varepsilon_0 chi(omega) mathbf{E}(omega)

La dipendenza dalla frequenza della suscettività determina la dipendenza dalla frequenza della permittività, e l'andamento della suscettività rispetto alla frequenza caratterizza le proprietà dispersive del materiale.



Importanza in chimica |


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Dipendenza della permittività elettrica relativa (statica, frequenza tendente a 0) dell'acqua in funzione della temperatura, a pressione costante di 10 MPa (assoluta)


In chimica, particolarmente importante risulta la valutazione della permittività elettrica 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 è uno dei solventi polari che possiede permittività elettrica relativa molto elevata (78.5) ed è perciò in grado di solubilizzare i composti ionici o fortemente polari. Solo alcuni acidi acquosi molto forti possiedono una permittività elettrica superiore all'acqua es: acido nitrico, acido perclorico, acido tricloro- o trifluoroacetico. 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 εr{displaystyle varepsilon _{r}}varepsilon_r eguale a 28. In conclusione più è elevata la permittività elettrica di un solvente, maggiore è la sua solubilità nei confronti di elettroliti.


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.



Note |




  1. ^ vedi dizionario Hoepli o Treccani


  2. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "permittivity"


  3. ^ Jackson, Pag. 323


  4. ^ Mencuccini, Silvestrini, Pag. 143


  5. ^ Jackson, Pag. 309


  6. ^ Jackson, Pag. 310


  7. ^ Jackson, Pag. 330


  8. ^ Jackson, Pag. 331


  9. ^ Jackson, Pag. 332


  10. ^ Dielectric Spectroscopy Archiviato il 7 marzo 2001 in Internet Archive.


  11. ^ Jackson, Pag. 334


  12. ^
    Peter Y. Yu, Manuel Cardona, Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties, Berlin, Springer, 2001, p. 261, ISBN 3-540-25470-6.



  13. ^
    José García Solé, Jose Solé, Luisa Bausa,, An introduction to the optical spectroscopy of inorganic solids, Wiley, 2001, Appendix A1, pp, 263, ISBN 0-470-86885-6.



  14. ^
    John H. Moore, Nicholas D. Spencer, Encyclopedia of chemical physics and physical chemistry, Taylor and Francis, 2001, p. 105, ISBN 0-7503-0798-6.



  15. ^
    Solé, José García, Bausá, Louisa E e Jaque, Daniel, Solé and Bausa, 22 marzo 2005, p. 10, ISBN 3-540-25470-6.



  16. ^
    Hartmut Haug, Stephan W. Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors, World Scientific, 1994, p. 196, ISBN 981-02-1864-8.



  17. ^
    Manijeh Razeghi, Fundamentals of Solid State Engineering, Birkhauser, 2006, p. 383, ISBN 0-387-28152-5.




Bibliografia |



  • Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Fisica II, Napoli, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2.

  • (EN) John D Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X.

  • (EN) Landolt e Bornstein Landolt-Börnstein physikalisch-chemische tabellen (Berlino, Springer, 1912) (costanti dielettriche pp. 1211–1222)

  • (EN) A. Von Hippel Tables of Dielectric Materials. (Massachusetts Institute of Technology, TR-94-4125, 1944)

  • (EN) A. A. Maryott, ed E. R. Smith, Table of Dielectric Constants of Pure Liquids. (US National Bureau of Standards, 1951)

  • (EN) A. Von Hippel .mw-parser-output .chiarimento{background:#ffeaea;color:#444444}.mw-parser-output .chiarimento-apice{color:red}
    Tables of dielectric materials. Volume IV.[collegamento interrotto]
    (Massachusetts Institute of Technology, TR-57, 1953)

  • (EN) A. Von Hippel e W. B. Westphal Tables of Dielectric Materials. Volume 5. (Massachusetts Institute of Technology, TR-94-4124, 1957)



Voci correlate |



  • Analisi termica dielettrica

  • Assorbimento (ottica)

  • Campo elettrico

  • Dispersione ottica

  • Equazione di Clausius-Mossotti

  • Equazioni di Maxwell

  • Forze di Van der Waals

  • Induzione elettrica

  • Isolante elettrico

  • Legame idrogeno

  • Permeabilità magnetica

  • Polarizzabilità

  • Polarizzazione elettrica

  • Relazione di Kramers-Kronig

  • Suscettività elettrica

  • Trasformata di Fourier



Collegamenti esterni |






  • Permittività elettrica, su thes.bncf.firenze.sbn.it, Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze. Modifica su Wikidata


  • (EN) Permittività elettrica, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc. Modifica su Wikidata

  • Costanti dielettriche relative, su itchiavari.org.






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