Proprietà dei conduttori elettrici

Un conduttore elettrico è un materiale che permette alla carica elettrica di muoversi facilmente quando sottoposto a una differenza di potenziale. I conduttori elettrici sono essenziali per molte applicazioni, come la cablatura, le linee di trasmissione, le macchine elettriche, gli elementi riscaldanti, lo schermo elettrostatico e altro ancora. In questo articolo esploreremo le proprietà dei conduttori elettrici, i loro tipi, esempi e applicazioni.

Cos'è un Conduttore Elettrico?

Un conduttore elettrico è definito come un materiale che ha elettroni o ioni liberi che possono trasportare corrente elettrica quando viene applicato un campo elettrico. La capacità di un materiale di condurre l'elettricità si chiama conduttività. L'opposto di un conduttore è un isolante, che ha pochissimi o nessun elettrone o ione libero e non permette il passaggio della corrente elettrica.

La conduttività di un materiale dipende da diversi fattori, come la sua struttura atomica, la temperatura, le impurità e le influenze esterne. Generalmente, i metalli hanno una alta conduttività perché hanno molti elettroni liberi nella loro shell più esterna che possono muoversi facilmente da un atomo all'altro. Alcuni esempi di buoni conduttori sono argento, rame, oro, alluminio, ferro e grafite. I non metalli hanno una bassa conduttività perché hanno pochi o nessun elettrone libero nella loro shell più esterna e tendono a trattenerli strettamente. Alcuni esempi di isolanti sono gomma, vetro, legno, plastica e aria.

Alcuni materiali hanno una conduttività intermedia tra conduttori e isolanti. Questi sono chiamati semiconduttori ed sono ampiamente utilizzati in elettronica e tecnologia informatica. Alcuni esempi di semiconduttori sono silicio, germanio, arseniuro di gallio e nanotubi di carbonio.

Proprietà dei Conduttori Elettrici

I conduttori elettrici presentano alcune proprietà comuni quando sono in condizioni di equilibrio. Queste proprietà sono:

• Resistenza: La resistenza è la misura di quanto un conduttore oppone il flusso della corrente elettrica. Dipende dalla resistività del materiale, dalla lunghezza, dall'area sezione e dalla temperatura. La resistività è la proprietà intrinseca di un materiale che determina la sua resistenza per unità di lunghezza e area. È inversamente proporzionale alla conduttività. I conduttori hanno una resistività bassa e una resistenza bassa, mentre gli isolanti hanno una resistività alta e una resistenza alta. La resistenza causa parte dell'energia elettrica a essere convertita in energia termica nel conduttore. Questo è chiamato riscaldamento Joule o riscaldamento ohmico.

• Induttanza: L'induttanza è la misura di quanto un conduttore oppone il cambiamento della corrente elettrica che scorre attraverso di esso. Dipende dalla forma, dimensioni, orientamento e disposizione del conduttore. L'induttanza genera un campo magnetico intorno a un conduttore quando vi scorre una corrente elettrica. Questo campo magnetico può indurre una forza elettromotrice (FEM) nello stesso o in vicini conduttori che oppongono il cambiamento di corrente. Questo è chiamato auto-induttanza o induttanza mutua, rispettivamente. L'induttanza influenza la distribuzione della corrente e il caduta di tensione in un conduttore quando viene utilizzato per la corrente alternata (CA).

• Il campo elettrico all'interno del conduttore è zero: Il campo elettrico all'interno di un conduttore perfetto è zero perché qualsiasi campo elettrico eserciterebbe una forza sugli elettroni liberi e li accelererebbe fino a raggiungere l'equilibrio. In condizioni di equilibrio, la forza netta sugli elettroni liberi è zero e non si muovono. Ciò significa che non c'è differenza di potenziale all'interno del conduttore e tutti i punti sono allo stesso potenziale. Questa proprietà rende i conduttori adatti per lo schermo elettrostatico delle apparecchiature elettriche.

• La densità di carica all'interno del conduttore è zero: La densità di carica all'interno di un conduttore perfetto è zero perché qualsiasi carica creerebbe un campo elettrico che respingerebbe la stessa carica sulla superficie del conduttore. La repulsione elettrostatica reciproca tra cariche dello stesso segno (elettroni) le spinge sulla superficie esterna del conduttore, dove possono essere il più lontano possibile. Ciò significa che non c'è carica all'interno del conduttore e solo carica libera esiste sulla superficie.

• La carica libera esiste solo sulla superficie del conduttore: Come discusso sopra, la carica libera (elettroni) non esiste all'interno del conduttore ma solo sulla sua superficie a causa della repulsione elettrostatica. L'ammontare e la distribuzione della carica libera sulla superficie dipendono dalla forma e dalle dimensioni del conduttore e dal campo elettrico esterno applicato ad esso.

• Il campo elettrico sulla superficie del conduttore è normale alla superficie: Il campo elettrico sulla superficie di un conduttore perfetto è normale (perpendicolare) alla superficie perché qualsiasi componente tangenziale causerebbe la movimentazione degli elettroni liberi lungo la superficie fino a neutralizzare la componente tangenziale. Ciò significa che non c'è componente parallela del campo elettrico sulla superficie e esiste solo una componente normale.

Tipi di Conduttori Elettrici

I conduttori elettrici possono essere classificati in diversi tipi in base alla loro struttura, composizione, comportamento e applicazione. Alcuni tipi comuni sono:

• Conduttori metallici: Sono conduttori fatti di metalli o leghe che hanno alta conduttività grazie ai loro elettroni liberi. Sono ampiamente utilizzati per la cablatura, le linee di trasmissione, le macchine elettriche, i contatti elettrici, ecc. Alcuni esempi sono argento (Ag), rame (Cu), oro (Au), alluminio (Al), ferro (Fe), ecc.

• Conduttori ionici: Sono conduttori fatti di composti ionici che hanno alta conduttività grazie ai loro ioni liberi quando sono sciolti in acqua o fusi in uno stato liquido. Vengono utilizzati per l'elettrolisi, le batterie, le celle a combustibile, ecc. Alcuni esempi sono cloruro di sodio (NaCl), idrossido di potassio (KOH), acido solforico (H2SO4), ecc.

• Conduttori molecolari: Sono conduttori fatti di molecole che hanno alta conduttività grazie ai loro elettroni delocalizzati o orbitali molecolari che possono sovrapporsi tra loro. Vengono utilizzati per l'elettronica organica, la nanotecnologia, ecc. Alcuni esempi sono grafite (C), nanotubi di carbonio (CNTs), poliacetilene (PA), ecc.

• Supercoduttori: Sono conduttori che hanno resistenza zero e conduttività infinita quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica. Presentano anche altri fenomeni, come l'effetto Meissner, corrente persistente, levitazione quantistica, ecc. Vengono utilizzati per magneti superconduttivi, computer quantistici, imaging medico, ecc. Alcuni esempi sono mercurio (Hg), piombo (Pb), ossido di ittrio bario rame (YBCO), ecc.

Applicazioni dei Conduttori Elettrici

I conduttori elettrici hanno molte applicazioni in vari campi della scienza, ingegneria e tecnologia. Alcune applicazioni comuni sono:

• Cablaggio: Il cablaggio è una delle applicazioni più comuni dei conduttori elettrici. Comprende la connessione di diversi dispositivi o componenti elettrici con fili fatti di conduttori metallici come rame o alluminio. Il cablaggio consente all'elettricità di fluire da un punto all'altro con minima perdita o interferenza.

• Linee di trasmissione: Le linee di trasmissione sono fili o cavi specializzati che trasportano corrente alternata (CA) ad alta tensione (HVAC) o corrente continua (HVDC) su lunghe distanze dalle centrali elettriche alle sottostazioni o ai consumatori. Le linee di trasmissione utilizzano conduttori metallici come alluminio o acciaio rinforzato con un nucleo d'acciaio o fibre ottiche. Le linee di trasmissione consentono una trasmissione efficiente dell'elettricità con minima perdita o interferenza.

• Macchine elettriche: Le macchine elettriche sono dispositivi che convertono l'energia