ELETTROTECNICA
I materiali / Introduzione
Lezione:L'elettronica suole classificare i vari materiali che essa impiega in base alle loro attitudini nei confoetici, paramerni dei fenomeni elettrici e magnetici; nei confronti dei fenomeni elettrici e magnetici; nei confronti della conducibilità elettrica suddivide, come è noto, i corpi in conduttori e isolanti (o dielettrici) mentre, riguardo alle attitudini magnetiche, distingue corpi diamagnetici e ferromagnetici. La classificazione dei corpi conduttori e isoltanti si fonda sul diverso comportametento di essi all'azione
dei campi elettrici. Infatti, a differenza di quanto avviene nei dielettrici, una d.d.p. applicata fra due punti di un corpo conduttore origina nel suo seno uno spostamento di cariche elettriche tendente ad annullarla. Nei dielettrici, invece, una d.d.p. applicata fra due zone superficiali di uno stesso corpo, più o meno cortrapposte, origina in questo uno stato fisico particolare ( polarizzazione dielettrica) che non implica un vero e proprio trasporto di cariche elettriche. I conduttor, secondo la
denominazione data per primo da Volt, si possono suddividere in conduttori di prima classe ( metalli e corpi che si comportano essenzialmente come questi) e conduttori di seconda classe (elettroliti). Nei conduttori di prima classe la propagazione
dell'elettricità avviene per conduzione elettronica pura, in quelli di seconda classe, invece si ha la conduzione ionica pura; nei primi, quindi, la propagazione delle cariche elettriche avviene senza spostamento di materia e senza modificazione chimiche contemporanee ; nei secondi, viceversa, si ha trasporti di materia (ioni) e modificazioni chimiche quali quelle proprie dei processi elettrilitici. In particolare, inoltre per quando riguarda i metalli, è opportuno ricordare come essi sottostanno con buona approssumazione alla legge di Wiedemann e Franz, secondo la quale il rapporto fra conducibilità termica e quella elettrica è costante. Tale circostanza indica una dipendenza fra i due fenomeni di conduzione e non vi è chi non veda come ciò sia favorevole al migliore uso dei metalli impiegati propriamente per condurre le correnti elettriche: infatti, considerando l'effetto Joule, se ad una conducibilità elettrica relativamente grande non corrispondesse un proporzionale valore di quella termica, la prima non potrebbe essere sfruttata che limitatamente per via della sovraelevazione di temperatura. Il fenomeno indicato dalla legge di Wiedemann e Franz è una delle tante manifestazioni dell'armonia della natura. Però i conduttori costituiti da metalli semplici non sempre presentano, per certe applicazioni, i voluti requisiti di resistenza meccanica o di inattaccabilità dagli agenti atmosferici o chimici in genere; in questi casi tali metalli possono esssere legati opportunamente con altri per ottenere delle leghe conduttrici rispondenti meglio ai necessari requisiti. Intanto è da ricordare che anche i gas, specialmente a bassa pressione, si comportano come conduttori se sottoposti ad opportuni valori di gradiente di potenziale elettrico; la conduzione può avvenire per via ionica ed elettronica nel caso delle scariche nei gas rarefatti. Nei confronti della conducibilità elettrica, tutti i corpi indistintamente, stratti di quelli denominati conduttori o di quelli indicati come dielettrici, sono caratterizzati da un proprio valore della resistività. Ne consegue che, a rigore di termini, tutti i corpi sono più o meno conduttori: infatti non vi è un limite netto di separazione nei confronti di tale resistività fra conduttori e dieletttrici : vi è tutta una gamma di valori di resistività via via crescenti passando dai migliori conduttori ai migliori dielettrici. Il fatto è che nella pratica si è convenuto di chiamare conduttori i corpi con resistività infinita. Praticamente, invece, in condizioni normali non esistono nè gli uni nè gli altri. Pertanto, nei dielettrici sottoposti a campo elettrico, oltre al fenomeno principale della polarizzazione, esiste anche, sia pure in minima entità, quello della conduzione. La diversità di valori della resistività elettrica dei corpi passando via via dai buoni conduttori ai dielettrici, è dovuta, come è noto, alla diversità delle costruzioni atomiche e molecolari ed è da considerare come tale diversità sia sostanziale se nei conduttori, ad eccezione del carbone e degli elettroliti, la resistività aumenta con la temperatura mentre nei dielettrici il fenomeno è inverso. Tutti i metalli sono , più o meno, buoni conduttori dell'elettricità e del calore, ma ciò non esclude che anche qualche metalloide, ad esempio il tellurio, conduca abbanzanza bene l'elettricità e il calore, e qualche metallo ( il germanio, ad esempio) li conduca male. A tale proposito, fra l'altro, si nota anche che metalli come l'antimonio e il bismuto sono friabili e facilmente polverizzabili come i metalloidi. Ciò significa che la suddivisione dei corpi semplici in metalli e metalloidi, voluta dalla chimica, non è tassativa, così come non lo è quella fra conduttori e isolanti. Nella zona limite fra metalli e metalloidi, secondo la classificazion di Mendelejeff, esistono degli elementi ( germanio, silicio, selenio) a 4 elettroni di valenza che allo stato di purezza assoluta si comportano quasi come isolanti ; tali elementi appartengono alla così detta categoria dei semiconduttori i quali con l'aggiunta opportuna di piccolissime quantità di impurità, assumono il fenomeno della conduzione uni-direzionale della corrente elettrica. Tale proprietà si rivela oggi sempre più importante perchè si presta a notevoli applicazioni (raddrizzatori, transistors, etc.). Benchè, come si è detto, la resistività degli elementi vada aumentando gradatamente dai migliori conduttori ai migliori dielettrici, l'industria elettrotecnica sentì ben presto la necessità di disporre di materiale con resistività comprese in un certo campo, indicanto dalla pratica, non facilmente riscontrabile in natura, accompagnate da particolari requisiti in relazione al loro tipo d'impiego. Nei riguardi della rispondenza ai fenomeni magnetici, come si è detto, i materiali sono raggruppabili in tre grandi categorie: diamagnetici, paramagnetici, ferromagnetici. Diamagnetici quando hanno una permeabilità assoluta poco maggiore di quella dell'aria e quindi una permeabilità relativa minore di 1; paramagnetici quando hanno permeabilità assoluta poco maggiore di quella dell'aria e relativa poco maggiore di 1. Comunque, la quasi totalità dei orpi appartenenti a queste due categorie risentono gli effetti magnetici molto debolmente, per cui questi sono percepibili solo mediante delicate esperienze. Soltanto il ferro e le sue leghe, e in minore misura qualche altro metallo, come il nichel e il cobalto, si differenziano dai corpi paramagnetici perchè atti a magnetizzarsi in misure molto notevole e, anche, a conservare parte del magnetismo indotto; a tale genere di corpi venne dato il nome di ferromagnetici per distinguerli dagli altri della categoria paramagnetici a cui, in senso qualitativo, si possono ritenere appartententi. I corpi ferromagnetici sono quelli che interessano particolarmente la costruzione delle machine e degli apparecchi elettrici in genere. Tuttavia, acanto a tali corpi sono da considerarsi come molto importanti alcune leghe che, pur non contenendo ferro, anzi essendo costituite alle volte da elementi singolarmente per nulla magnetici, risentono gli effetti magnetici in misura poco diversa da quella degli stessi corpi ferromagnetici e che, in conseguenza, si possono usare in talune applicazioni. Per completare il quadro, si ritiene qui opportuno fare alcune considerazioni sui dielettrici. Ad uno stesso materiale di tale categoria è da notare come nell'uso comune venga dato il nome di isolante quando esso è impiegato per isolare dei conduttori fra loro o verso terra, mentre lo si chiama dielettrico quando serve a costituire il mezzo polarizzabile di un condensatore. Altra considerazione da farsi è quella relativa al fatto che la funzione degli isolanti è perfettamente complementare a quella dei conduttori: se non fossero esistiti questi materiali ad altissima resistività con cui avvolgere i conduttori, non sarebbe stato possibile costruire alcuna macchina o apparecchio elettrico e tanto meno linee elettriche; è come dire che l'energia elettrica, ancorchè fosse esistita, gionata inutilmente all'interno dei corpi. Si pensi, ad esempio , al caso ipotetico che l'aria non avesse avuto la proprietà di essere isolante! Infine, in relazione alla coesistenza conduttori.isolanti in tutte le macchine elettriche, è da dire che gli isolanti, almeno quelli usati nella pratica comune, sono molto meno resistenti dei conduttori nei riguardi del ricaldamento; pertanto, ne consegue che la potenza ricavabile da una macchina è limitata essenzialmente dalla sollecittazione termica degli isolanti che essa contiene. Da qui l'opportunità della suddivisione degli isolanti in classi, ad ognuna delle quali compete una data temperatura massima di lavoro.
