Confronto delle proprietà dielettriche dei materiali isolanti

Comprendere le proprietà dielettriche

Il comportamento dielettrico è il modo in cui i materiali isolanti reagiscono ai campi elettrici. È una descrizione della capacità del materiale di opporsi alla conduzione elettrica. Due delle proprietà più importanti che definiscono il modo in cui questi materiali agiscono sono la costante dielettrica e i fattori di perdita. La costante dielettrica è una misura dell'efficacia con cui l'energia viene immagazzinata. Il fattore di perdita misura l'energia persa sotto forma di calore. La conoscenza esplicita di questi valori è di primaria importanza nella scelta del materiale giusto per un'applicazione.

Polimeri (poliimmide, politetrafluoroetilene, epossidico, cloruro di polivinile)

La poliimmide viene utilizzata quando sono richieste resistenza e temperatura elevate. Ricordo quando usavamo la poliimmide in alcuni settori dell'isolamento elettrico. Il politetrafluoroetilene è molto utilizzato perché ha un basso attrito e una buona stabilità alle alte temperature. L'epossidico è utilizzato nei circuiti stampati e in altri assemblaggi elettronici per le sue buone caratteristiche di incollaggio. Il cloruro di polivinile è comune nell'isolamento dei cavi. Non è altrettanto resistente alle alte temperature, ma è economico per la maggior parte degli usi.

Tutti questi polimerihanno una costante dielettrica variabile. La poliimmide ha generalmente valori compresi tra cinque e sei, mentre il politetrafluoroetilene è più vicino a due. L'epossidico e il polivinilcloruro si collocano a metà strada. Queste sostanze sono preferite dagli ingegneri che tengono conto della flessibilità e del peso, come nel caso dell'elettronica di consumo.

Ceramica (allumina, nitruro di boro, nitruro di silicio)

Leceramiche sono la prima scelta quando è necessaria un'elevata rigidità dielettrica e resistenza termica. L'ossido di alluminio, o allumina, ha buone proprietà dielettriche e resistenza al calore. Il nitruro di boro ha una buona conduzione termica e isolamento elettrico, mentre il nitruro di silicio ha una forma stabile anche se sollecitato meccanicamente. Questi materiali sono comunemente utilizzati in applicazioni ad alto rischio come i veicoli spaziali o i componenti dei circuiti ad alta tensione.

Le loro costanti dielettriche possono essere diverse. L'allumina varia in genere da nove a dieci. Il nitruro di boro ne ha di meno e questo è utile per gli usi in cui è necessaria una bassa costante dielettrica. Il nitruro di silicio si colloca a metà strada. L'utilizzo dipende dalle esigenze dell'applicazione. Sulla base di queste conoscenze sono state create molte apparecchiature specializzate.

Vetro (silice fusa, borosilicato)

Il vetro è un altro materiale fondamentale per l'isolamento elettrico. La silice fusa è un materiale a bassissima perdita dielettrica. È comune nelle applicazioni a microonde e ad alta frequenza. Il vetro borosilicato è molto ricercato per la resistenza al calore e viene utilizzato comunemente nelle apparecchiature di laboratorio. La sua costante dielettrica è leggermente superiore a quella della silice fusa, ma il vetro borosilicato offre resistenza alle medie temperature.

Il vetro viene utilizzato in applicazioni in cui la resistenza chimica e la trasparenza sono fondamentali. Il vetro possiede proprietà dielettriche che contribuiscono a ridurre le perdite di energia e a fornire prestazioni stabili per un lungo periodo.

Compositi (polimero-ceramica, epossidico con allumina/silice)

I materiali compositi riuniscono le migliori caratteristiche dei polimeri e delle ceramiche. In un composito polimero-ceramico, si può mescolare una matrice polimerica flessibile con particelle di ceramica. Il risultato è una miscela di flessibilità e buona rigidità dielettrica. L'epossidica combinata con allumina o silice è ampiamente utilizzata nei circuiti stampati e negli imballaggi elettronici. Questa miscela aumenta la resistenza al calore e la forza meccanica senza degradare le prestazioni dielettriche.

I dati tendono a suggerire che questi compositi raggiungono rigidità dielettriche di diversi kilovolt per millimetro. Sono quindi la scelta ideale per le applicazioni che richiedono rigidità e isolamento.

Fattori che influenzano la rigidità dielettrica

La rigidità dielettrica è influenzata da alcuni parametri. Questi includono la temperatura, la frequenza del carico elettrico e la qualità del materiale. Le variazioni di temperatura possono causare il degrado delle proprietà dielettriche, mentre una frequenza più elevata può causare un aumento delle perdite. Anche la qualità della produzione è importante. Una traccia di impurità può ridurre il livello di isolamento. Questi fattori vengono notati dagli ingegneri quando costruiscono prodotti affidabili.

Molti usi pratici dimostrano che le condizioni ambientali possono modificare le prestazioni. La sua importanza è testimoniata dai cavi per la trasmissione di energia e dall'elettronica di consumo.

Applicazioni nelle industrie

Il comportamento dielettrico dei materiali isolanti viene utilizzato in modo pratico. Sono molto importanti nei sistemi elettrici, come i trasformatori e i condensatori. Questi materiali trovano applicazione in varie industrie nelle apparecchiature di comunicazione ad alta frequenza. Anche i dispositivi medici si basano su un isolamento adeguato. In alcuni macchinari pesanti, un'elevata rigidità dielettrica può prevenire guasti e danni. La scelta di un isolante nel mondo reale si basa sulla sua forma fisica e sul suo costo.

Conclusione

I materiali isolanti presentano caratteristiche dielettriche diverse, adatte a diverse applicazioni. Polimeri, ceramiche, vetro e materiali compositi hanno ciascuno i propri punti di forza. Per un elenco di altri materiali, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Cosa ci dice la costante dielettrica?

D: Indica il grado di accumulo di energia elettrica di un materiale in un campo elettrico.

F: Perché i materiali compositi sono importanti per l'elettronica?

D: I materiali compositi offrono un equilibrio tra flessibilità e buone proprietà di isolamento elettrico.

F: Come influisce la temperatura sulle proprietà dielettriche?

D: Un aumento della temperatura tende a diminuire la rigidità dielettrica e può aumentare la perdita di energia.