Cosa sono i conduttori elettrici

Cosa sono i conduttori elettrici?

Definizione di conduttore elettrico

Un conduttore elettrico è definito come un materiale che permette il facile flusso di carica elettrica principalmente a causa del movimento degli elettroni.

Un conduttore elettrico è definito come un oggetto o tipo di materiale che consente il flusso di carica in una o più direzioni. I materiali metallici sono comuni conduttori elettrici, poiché i metalli hanno una alta conducibilità e una bassa resistenza.

I conduttori elettrici consentono agli elettroni di viaggiare tra gli atomi con una velocità di deriva all'interno della banda di conduzione, un livello energetico specifico che supporta il movimento libero degli elettroni. Questi conduttori sono composti da atomi con elettroni di valenza legati in modo debole che possono essere facilmente eccitati da un effetto elettrico o termico. La transizione di un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione lascia dietro di sé un buco positivo, che contribuisce anche al movimento della carica.

I conduttori elettrici possono essere metalli, leghe metalliche, elettroliti o alcuni non metalli come grafite e polimeri conduttivi. Questi materiali permettono all'elettricità (cioè al flusso di carica) di passare attraverso di essi in modo facile.

Il conduttore conduce la corrente

La corrente in un conduttore rappresenta il tasso al quale la carica fluisce attraverso la sua sezione trasversale, direttamente proporzionale sia al campo elettrico che alla conducibilità del conduttore. Questo campo elettrico si origina da una differenza di potenziale attraverso il conduttore, mentre la conducibilità quantifica la facilità con cui il materiale permette il flusso di carica.

Quando viene applicata una differenza di potenziale su un conduttore, gli elettroni nella banda di conduzione acquisiscono energia e iniziano a scorrere dal terminale negativo al terminale positivo della sorgente di tensione. La direzione della corrente è opposta alla direzione del flusso degli elettroni, poiché la corrente è definita come il flusso di carica positiva. Gli elettroni collidono con gli atomi e altri elettroni nel conduttore, causando resistenza e generazione di calore. La resistenza è una misura di quanto il materiale opponga il flusso di carica attraverso di esso.

La corrente in un conduttore dipende da diversi fattori, come:

• La differenza di potenziale attraverso il conduttore

• La lunghezza e l'area della sezione trasversale del conduttore

• La temperatura e la composizione del materiale

• La presenza di impurità o difetti nel materiale

Proprietà dei conduttori elettrici

• Hanno una alta conducibilità e una bassa resistenza

• Hanno molti elettroni liberi nella loro banda di conduzione

• Non hanno un gap energetico tra la loro banda di valenza e quella di conduzione

• Hanno legami metallici che formano una rete di ioni positivi circondati da una nube di elettroni

• Hanno campi elettrici nulli e densità di carica nulla all'interno di essi

• Hanno cariche libere solo sulla loro superficie

• Hanno un campo elettrico perpendicolare alla loro superficie

Tipi di conduttori

Conduttori ohmici

I conduttori ohmici sono materiali che seguono la legge di Ohm per qualsiasi differenza di potenziale e temperatura. Hanno una relazione lineare tra tensione e corrente, il che significa che la loro resistenza è costante. La maggior parte dei metalli sono conduttori ohmici in condizioni normali.

Conduttori non ohmici

I conduttori non ohmici sono materiali che non seguono la legge di Ohm per qualsiasi differenza di potenziale o temperatura. Hanno una relazione non lineare tra tensione e corrente, il che significa che la loro resistenza varia con la tensione applicata. I conduttori non ohmici possono esibire una resistenza negativa, dove la corrente diminuisce man mano che aumenta la tensione, o una resistenza positiva, dove la corrente aumenta man mano che aumenta la tensione, ma non proporzionalmente. Alcuni conduttori non ohmici possono anche avere una tensione soglia, al di sotto della quale non fluisce alcuna corrente.

Conduttori solidi

I conduttori solidi sono materiali che hanno una forma e un volume fissi. Possono essere ulteriormente suddivisi in conduttori metallici e non metallici.

• Conduttori metallici: Questi sono metalli o leghe metalliche che hanno una alta conducibilità e una bassa resistività. Hanno una struttura a griglia di ioni positivi circondati da un mare di elettroni liberi. Alcuni esempi di conduttori metallici sono argento, rame, oro, alluminio, ferro, ottone, bronzo, ecc.

• Conduttori non metallici: Questi sono non metalli che hanno alcuni elettroni o ioni liberi nella loro struttura. Hanno una conducibilità inferiore e una resistività superiore rispetto ai metalli. Alcuni esempi di conduttori non metallici sono grafite, nanotubi di carbonio, grafene, ecc.

Conduttori liquidi

• Conduttori liquidi: sono materiali che non hanno una forma fissa ma un volume fisso. Possono essere ulteriormente suddivisi in conduttori metallici e non metallici.

• Conduttori metallici: Questi sono metalli che sono in uno stato liquido a temperatura ambiente o quando riscaldati. Hanno una alta conducibilità e una bassa resistività. Hanno una struttura simile ai metalli solidi ma con maggiore spaziatura interatomica e mobilità. Un esempio di conduttore liquido metallico è il mercurio.

• Conduttori non metallici: Questi sono liquidi che contengono ioni o molecole disciolti che possono trasportare una carica. Hanno una conducibilità inferiore e una resistività superiore rispetto ai metalli. Hanno una struttura di soluti polari o ionici in un solvente. Alcuni esempi di conduttori liquidi non metallici sono acqua salata, soluzioni acide, elettroliti, ecc.

Fattori che influenzano la conducibilità dei conduttori elettrici

La conducibilità di un conduttore elettrico dipende da diversi fattori, come:

• Il tipo e il numero di portatori di carica liberi: Più elettroni o ioni liberi ci sono in un materiale, maggiore sarà la sua conducibilità e minore sarà la sua resistività.

• La dimensione e la forma del conduttore: Più lungo e sottile è un conduttore, minore sarà la sua conducibilità e maggiore sarà la sua resistività.

• La temperatura del conduttore: Più alta è la temperatura di un conduttore, minore sarà la sua conducibilità e maggiore sarà la sua resistività. Ciò avviene perché l'agitazione termica degli atomi e degli elettroni aumenta le collisioni e riduce la mobilità dei portatori di carica.

• La presenza di impurità o difetti nel conduttore: Più impurità o difetti ci sono in un conduttore, minore sarà la sua conducibilità e maggiore sarà la sua resistività. Ciò avviene perché le impurità o i difetti agiscono come centri di scattering per i portatori di carica e riducono il loro cammino libero medio.

• La frequenza del campo elettrico applicato: Più alta è la frequenza del campo elettrico applicato, minore sarà la conducibilità e maggiore sarà la reattività di un conduttore. Ciò avviene perché, a frequenze elevate, i portatori di carica non riescono a seguire le rapide variazioni del campo elettrico e creano un campo magnetico opposto.

Applicazioni dei conduttori elettrici

I conduttori elettrici sono utilizzati in un ampio spettro di campi scientifici e ingegneristici. Alcune applicazioni notevoli includono:

• Cavi elettrici: I cavi elettrici sono realizzati con conduttori di rame o alluminio che trasportano la corrente elettrica dalle sorgenti di alimentazione ai carichi. Sono ricoperti di materiali isolanti per prevenire cortocircuiti e shock elettrici.

• Circuiti elettrici: I circuiti elettrici sono reti di componenti elettrici che eseguono funzioni specifiche utilizzando la corrente elettrica. Sono realizzati con vari tipi di conduttori, come fili, resistori, condensatori, induttori, diodi, transistor, ecc.

• Macchine elettriche: Le macchine elettriche sono dispositivi che convertono l'energia elettrica in energia meccanica o viceversa utilizzando la corrente elettrica e i campi magnetici. Sono realizzate con vari tipi di conduttori, come bobine, avvolgimenti, rotori, statori, armature, ecc.

• Sensori elettrici: I sensori elettrici sono dispositivi che rilevano grandezze fisiche come temperatura, pressione, luce, suono, ecc., e le convertono in segnali elettrici. Sono realizzati con vari tipi di conduttori, come elettrodi, fili, bobine, resistori, condensatori, ecc. Alcuni esempi di sensori elettrici sono termocoppie, fotodiodi, LDR, sensori piezoelettrici, ecc.

Conclusione

I conduttori elettrici sono materiali essenziali per molte applicazioni che coinvolgono corrente elettrica e campi elettrici. Hanno diversi tipi, proprietà e fattori che influenzano la loro conducibilità. Vengono inoltre utilizzati per realizzare