Conduttività Elettrica: Una Panoramica
La conduttività elettrica è una proprietà fisica dei materiali che indica la capacità di un materiale di condurre corrente elettrica. Si definisce come la quantità di tensione necessaria per far fluire una determinata quantità di corrente elettrica. L’unità SI della conduttività elettrica è il Siemens per metro (S/m). Metalli come rame, alluminio, argento e oro sono noti per la loro elevata conduttività elettrica e sono comunemente utilizzati in applicazioni elettriche ed elettroniche.
Conduttività Elettrica e Materiali
La conduttività elettrica di un materiale è determinata da diversi fattori, tra cui la densità e la mobilità dei portatori di carica (come elettroni o ioni), la struttura del materiale, la temperatura e altri fattori ambientali. Materiali con elevata conduttività elettrica, come i metalli e alcuni tipi di sali e soluzioni, sono comunemente usati in applicazioni elettriche ed elettroniche, dove vengono utilizzati per trasportare corrente elettrica con minima resistenza o perdita di energia.
Relazione tra Conduttività Elettrica e Resistività
La conduttività elettrica è strettamente correlata alla resistività, che è più comunemente utilizzata: σ=1/ρ, dove σ è la conduttività (in m/Ohm), e ρ è la resistività (in Ohm/m). Per determinare la resistenza di un filo, si usa: R=ρl/A=ρlσ, dove A è l’area trasversale del filo (in m2) e l è la sua lunghezza (in metri).
Classificazione dei Materiali in Base alla Conduttività Elettrica
I materiali possono essere classificati in diverse categorie in base alla loro conduttività elettrica:
- Conduttori: Materiali con elevata conduttività elettrica, come metalli e alcuni tipi di soluzioni, sono noti come conduttori.
- Isolanti: Materiali con bassa conduttività elettrica, come plastica, gomma e vetro, sono noti come isolanti.
- Semiconduttori: Materiali che hanno livelli intermedi di conduttività elettrica, come silicio e germanio, sono noti come semiconduttori.
- Superconduttori: Materiali che hanno resistenza elettrica zero a temperature molto basse sono noti come superconduttori.
- Conduttori Ionici: Materiali che conducono elettricità attraverso il movimento di ioni piuttosto che di elettroni,
, come alcuni tipi di sali ed elettroliti, sono noti come conduttori ionici.
Materiali con la Maggiore Conduttività Elettrica
Ecco sette materiali con la più alta conduttività elettrica:
- Argento: L’argento ha la più alta conduttività elettrica di tutti i metalli ed è ampiamente utilizzato in applicazioni elettriche ed elettroniche.
- Rame: Il rame è il metallo più conduttivo dopo l’argento ed è comunemente usato nei cablaggi elettrici e nei componenti elettronici.
- Oro: L’oro è un buon conduttore di elettricità ed è comunemente usato in connettori elettronici e componenti a causa della sua resistenza alla corrosione e bassa reattività.
- Alluminio: L’alluminio è un metallo leggero con buona conduttività elettrica ed è utilizzato in una varietà di applicazioni elettriche.
- Tungsteno: Il tungsteno ha un alto punto di fusione ed è un buon conduttore di elettricità, utile in applicazioni elettriche ad alta temperatura.
- Platino: Il platino è un metallo denso e resistente alla corrosione con alta conduttività elettrica e viene utilizzato in una varietà di applicazioni elettriche ed elettroniche.
- Ottone: L’ottone è una lega di rame e zinco che ha una buona conduttività elettrica ed è comunemente usato in connettori elettrici, interruttori e altri componenti.
Flusso di Elettroni in un Filo
Quando viene applicata una tensione su un conduttore, viene stabilito un campo elettrico, che fa muovere gli elettroni in una certa direzione. Tuttavia, gli elettroni non si muovono in linea retta, ma piuttosto attraverso un moto casuale a causa delle collisioni con gli atomi del conduttore, perdendo energia e disperdendosi in direzioni casuali. Questo crea resistenza al flusso di elettroni e causa la conversione di parte dell’energia del campo elettrico in calore.
Conduttività Elettrica e Termica
A una data temperatura, le conduttività termica ed elettrica dei metalli sono proporzionali, ma l’aumento della temperatura aumenta la conduttività termica mentre diminuisce quella elettrica. Questo comportamento è quantificato nella legge di Wiedemann-Franz. Questa legge afferma che il rapporto tra il contributo elettronico della conduttività termica (k) alla conduttività elettrica (σ) di un metallo è proporzionale alla temperatura (T). In generale, la correlazione tra conduttività elettrica e termica non vale per altri materiali a causa dell’importanza maggiore dei portatori di fononi per il calore nei non metalli.
