Officina dell'Elettrostatica › Approfondimenti › Permittività elettrica

Dalla costante di Coulomb alla permittività elettrica

Perché la stessa legge può essere scritta con k0, ε0, ε ed εr.

Al termine di questo approfondimento saprai

1. Due modi equivalenti di scrivere la legge di Coulomb

Nel vuoto la legge di Coulomb viene spesso scritta nella forma:

F = k0 · |q1q2| / r2

Nel Sistema Internazionale si introduce anche la permittività del vuoto ε0. Le due costanti sono legate da:

k0 = 1 / (4πε0)   ⇔   ε0 = 1 / (4πk0) Non cambia la legge fisica: cambiano soltanto i simboli usati per scrivere la costante di proporzionalità.

Sostituendo questa relazione nella legge di Coulomb:

F = (1 / (4πε0)) · (|q1q2| / r2) = |q1q2| / (ε0 · 4πr2)

Le due forme sono quindi esattamente equivalenti.

Il valore numerico di ε0

Partendo da k0 ≈ 8,988 × 109 N·m2/C2:

  1. 4π ≈ 12,566;
  2. 12,566 × 8,988 × 109 ≈ 1,129 × 1011 N·m2/C2;
  3. facendo l'inverso si ottiene ε0 ≈ 8,854 × 10−12 C2/(N·m2).
ε0 ≈ 8,854 × 10−12 C2 / (N · m2)
Un controllo utile

Conoscendo ε0 si ritrova k0 con k0 = 1/(4πε0). Le due costanti non sono quindi indipendenti.

2. Perché compare 4πr2?

L'espressione 4πr2 è l'area della superficie di una sfera di raggio r. Attorno a una carica puntiforme tutte le direzioni sono equivalenti, perciò la geometria naturale del problema è sferica.

Se la distanza raddoppia, l'area della sfera diventa quattro volte più grande. Nello stesso tempo, la legge di Coulomb mostra che, a parità di cariche, la forza diventa quattro volte più piccola. La superficie sferica fornisce quindi un'immagine geometrica molto efficace della dipendenza 1/r2.

Un punto importante

La geometria della sfera non serve a ricavare ε0. La permittività del vuoto viene introdotta attraverso il legame k0 = 1/(4πε0). Il fattore 4πr2 permette poi di interpretare geometricamente la forma ottenuta.

r 2r +q F +q F +q F +q F/4 +q F/4 +q F/4 +Q

Figura 2 — Sezione di due superfici sferiche centrate sulla carica sorgente +Q. In tutti i punti della sfera di raggio r la carica di prova +q subisce una forza dello stesso modulo F, diretta lungo il raggio; sulla sfera di raggio 2r l'area è quattro volte più grande e la forza si riduce a F/4. Le cariche di prova sono disegnate insieme solo per confrontare le posizioni: ciascuna va immaginata da sola, in presenza della sola carica +Q.

Questa lettura geometrica verrà ripresa negli argomenti successivi. Qui ci basta riconoscere che essa descrive la stessa dipendenza dalla distanza già contenuta nella legge di Coulomb.

3. Dal vuoto ai materiali

Quando le cariche sono immerse in un materiale isolante, detto dielettrico, le molecole del materiale si polarizzano. L'effetto complessivo è una riduzione dell'interazione elettrica rispetto al vuoto.

+q

Figura 3 — Molecole di un dielettrico attorno a una carica positiva: ogni molecola polarizzata si comporta come un dipolo e rivolge verso la carica la propria estremità negativa (−), allontanando quella positiva (+).

Nel materiale si introduce la permittività ε. La legge conserva la stessa struttura:

Fmezzo = (1 / (4πε)) · (|q1q2| / r2)

La permittività del materiale è collegata a quella del vuoto mediante la permittività relativa εr:

εr = ε / ε0   ⇔   ε = ε0 · εr

Poiché εr è un rapporto fra grandezze con la stessa unità di misura, è un numero puro. Nel vuoto vale 1; nei comuni dielettrici, in condizioni elettrostatiche, è maggiore di 1.

La costante di Coulomb nel mezzo

Nel materiale si può usare anche una costante di Coulomb k:

k = 1 / (4πε) = k0 / εr

Di conseguenza:

Fmezzo = Fvuoto / εr
Permittività e forza vanno in senso opposto

Una permittività maggiore corrisponde a un coefficiente 1/(4πε) minore e quindi, a parità di cariche e distanza, a una forza minore.

4. Le grandezze da non confondere

SimboloNomeChe cosa rappresentaUnità
k0 Costante di Coulomb nel vuoto Costante universale legata a ε0 N·m2/C2
ε0 Permittività del vuoto Costante universale, con k0 = 1/(4πε0) C2/(N·m2)
ε Permittività del materiale Valore della permittività nel mezzo considerato C2/(N·m2)
εr Permittività relativa Rapporto ε/ε0; confronta il materiale con il vuoto numero puro
k Costante di Coulomb nel mezzo k = k0/εr = 1/(4πε) N·m2/C2

5. Alcuni materiali a confronto

Mezzoεr circaForza rispetto al vuoto
Vuoto1Fvuoto
Aria secca1,0006praticamente uguale al vuoto
Olio minerale2,2circa 2,2 volte più piccola
Vetro comune5 – 10da 5 a 10 volte più piccola
Acqua distillata a 20 °C80circa 80 volte più piccola
εr non è sempre lo stesso numero

La permittività relativa dipende dalle condizioni. Per esempio, nell'acqua varia con la temperatura; inoltre può cambiare quando l'azione elettrica varia molto rapidamente. I valori tabulati vanno quindi letti insieme alle condizioni a cui si riferiscono.

Quando vale Fmezzo = Fvuoto/εr

La relazione si usa nel modello di un dielettrico omogeneo e isotropo che riempie tutto lo spazio circostante le cariche. Se il materiale occupa soltanto una parte della regione, la situazione richiede un'analisi più complessa.

6. Un esempio di misura

Ricavare εr dal rapporto tra due forze

Due cariche alla stessa distanza si attraggono nel vuoto con una forza di 12 N. Immerse completamente in un dielettrico omogeneo, la forza diventa 3 N.

εr = Fvuoto / Fmezzo = 12 / 3 = 4

Il materiale ha quindi εr = 4. La sua permittività vale ε = 4ε0 ≈ 3,54 × 10−11 C2/(N·m2).

In sintesi

Verifica se hai capito

1. ε0 si ricava dall'area della sfera 4πr2?

No. ε0 è introdotta attraverso il legame k0 = 1/(4πε0). La superficie sferica fornisce un'interpretazione geometrica della dipendenza 1/r2.

2. Se εr = 5, come cambia la forza rispetto al vuoto?

Diventa un quinto: Fmezzo = Fvuoto/5.

3. Qual è la differenza tra ε ed εr?

ε è la permittività del materiale e ha unità di misura; εr = ε/ε0 è un rapporto senza unità.

4. Se la permittività del mezzo aumenta, che cosa succede a k e alla forza?

k = 1/(4πε) diminuisce e, a parità di cariche e distanza, diminuisce anche la forza.