214/94 - UniNa STiDuE

214/97
A.A. 1997/98
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI TRIESTE
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CORSO DI LAUREA
PROGRAMMA DEL CORSO DI
DOCENTE
INGEGNERIA dei MATERIALI
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI
MATERIALI ELETTRICI
Sergio ROITTI
1.
Studio dei fenomeni di conduzione elettrica. Modificazioni chimiche e
corrente elettrica. Generatori e utilizzatori di lavoro elettrico. Aspetti stechiometrici,
termodinamici, cinetici, strutturali. Sistemi elettrochimici e grandezze che li
caratterizzano. Legge di Ohm per conduttori metallici e sistemi galvanici.
Interpretazione dal punto di vista microscopico della legge di Ohm.
La conduzione dell'elettricità nei materiali metallici. Conduzione elettronica.
Teorie del legame metallico. Teoria di Drude e Lorenz. Modello a gas di elettroni.
Teoria di Sommerfeld. Modello a elettroni liberi. Resistività dei metalli e delle leghe.
Risultati ottenibili con la teoria di Sommerfeld. Difficoltà della teoria e del modello.
Teoria di Bloch. Bande di energia. Energia limite di Fermi. Comportamento di un
materiale da conduttore o da isolante.
Conduzione nei materiali semiconduttori. Valore e forma delle energie
estreme delle bande. Intervalli di energie proibite. Semiconduttori intrinseci.
Germanio. Conducibilità elettrica dei semiconduttori intrinseci in funzione della
temperatura. Semiconduttori per impurezze con configurazione in eccesso di elettroni
dal punto di vista del reticolo cristallino e dal punto di vista delle bande di energia.
Semiconduttori per impurezza con configurazione in deficit di elettroni. Effetto Hall e
semiconduzione di tipo n e tipo p. Composti semiconduttori. Classificazione di
Rudolph.
Conduzione ionica. Trasporto di materia. Conduttori ionici e misti. Fasi
gassose. Andamento della caratteristica tensione corrente. Fasi solide. Difetti di
Schottky e di Frenkel. Influenza della temperatura sulla conducibilità elettrica. Fasi
liquide: sali fusi o in miscela, sostanze pure liquide, soluzioni elettrolitiche.
Schematizzazione delle soluzioni acquose di elettroliti. Solventi e soluti. Potere
ionizzante e costante dielettrica. Dissociazione ionica. Elettroliti deboli e incompleta
dissociazione. Elettroliti forti e interazione fra gli ioni.
Circolazione di corrente nelle catene galvaniche. Polarità della catena. Anodo.
Catodo. Cambio di staffetta tra i portatori della corrente e modificazioni chimiche di
conversione. Regole della stechiometria elettrochimica. Conservazione delle masse e
delle cariche elettriche. Reazioni elettrodiche ed equazioni di reazione. Processi
anodici. Processi catodici. Leggi di Faraday. Equivalente elettrochimico ed
equivalente chimico. Voltametri.
2.
Principi per applicazioni tecnologiche di materiali sulla base delle proprietà
elettriche. Resistività dei metalli e delle leghe e fattori che la determinano: vibrazioni
termiche, concentrazione di impurezze o elementi leganti, difetti cristallini. Legge di
Matthiessen. Dispositivi a semiconduttore. Giunzioni p-n. Portatori di maggioranza e
portatori di minoranza. Barriere di potenziale per buche e per elettroni. Giunzioni p-n
rettificanti. Polarizzazione diretta e polarizzazione inversa. Correnti di buche e di
elettroni. Conduzione non-ohmica. Batterie solari. Materiali fotoconduttori. Fotocelle.
Transistori. Struttura del transistore n-p-n. Caratteristiche di un transistore. Controllo
e amplificazione delle correnti. Circuiti integrati. Fabbricazione di semiconduttori.
Raffinazione a zone. Metodi per ottenere regioni di tipo n e di tipo p in un
monocristallo conduttore. Tipi di transistori. Termistori. Resistori a coefficiente di
temperatura negativo e positivo. Varistori. Sensori di gas e umidità. Elementi
riscaldanti. Proprietà degli isolanti. Polarizzazione. Permettività dielettrica o costante
dielettrica. Resistività di volume. Resistività superficiale. Fattore di perdita. Rigidità
dielettrica. Materiali isolanti ceramici. Materiali ceramici per condensatori.
Comportamento ferroelettrico. Effeto piezoelettrico e materiali piezoelettrici.
3.
Caratteristiche
elettriche
di
ossidi
altofondenti.
Metodo
elettroconduttometrico. Utilizzazione del metodo: per lo studio dei diagrammi di stato
ad alta temperatura; per lo studio delle cinetiche di trasformazione di ossidi; per la
individuazione del contributo ionico e del contributo elettronico alla conduzione
totale; per la determinazione del tipo di conduzione elettronica, n oppure p.
Applicazioni di ossidi elettroconduttori: elettroliti solidi a conduzione ionica per celle
a combustione, elettrodi a conduzione elettronica per convertitori MHD. Sonda
ossigeno.
ESERCITAZIONI
Determinazione sperimentale in laboratorio della conducibilità elettrica specifica di
ossidi e miscele di ossidi in funzione della temperatura, della composizione e della
pressione parziale di ossigeno.
TESTI CONSIGLIATI
Moduli didattici da J.E.M.M.S.E. (Journal of Educational Modules for Materials
Science and Engineering) - The Pensylvania State University.
William F. Smith: “Scienza e tecnologia dei materiali”; Mc Graw-Hill Libri Italia,
Milano, 1995.
Giuliano Moretti, Piero Porta: “I materiali inorganici”; La Nuova Italia Scientifica,
Roma, 1992.
Giacomo Peco: “I prodotti ceramici”; Tomo II, Marzorati Editore, Milano, 1991.
AIMAT: "Manuale dei materiali per l'ingegneria"; Mc Graw - Hill Libri Italia,
Milano, 1996.