Cenni sulla struttura della materia
• Tutta la materia è costituita da uno o più
costituenti fondamentali detti elementi
• Esistono 102 elementi, di cui 92 si trovano in
natura (i rimanenti sono creati in in laboratorio)
• La particella elementare di un elemento che ne
conserva ancora le proprieta è l’atomo
• La combinazione di elementi differenti genera le
i composti, il cui costituente elementare è la
molecola
L’Atomo
• L’atomo è costituito da un nucleo caricato
positivamente e da elettroni che ruotano attorno
al nucleo, aventi complessivamente la
medesima carica ma di segno opposto
• Il nucleo a sua volta contiene neutroni (neutri) e
protoni (carica positiva).
• Il numero di protoni è detto numero atomico (1102) e rappresenta la carica totale positiva
• L’elettrone ha la stessa carica, in valore
assoluto, del protone, quindi, per la neutralità
dell’atomo, il numero di elettroni coincide con
quello dei protoni
Forze atomiche e orbite degli elettroni
• Le forze elettriche che si esercitano tra il nucleo
e gli elettroni vanno a bilanciare quelle
determinate dal movimento degli elettroni
(condizione di equilibrio)
• Gli elettroni che ruotano sull’orbita più esterna di
un atomo sono detti elettroni di valenza e sono
quelli che vengono impiegati per tenere uniti gli
atomi tra loro
• Per un dato atomo, tutti gli elettroni che ruotano
ad una certa distanza dal nucleo hanno
associato lo stesso livello di energia, che
caratterizza quell’orbita specifica
Modello dell’atomo di Bohr
Idrogeno
Alluminio
Silicio
Germanio
Assiomi del modello di Bohr
• Gli elettroni di un atomo esistono solo in stati
energetici discreti. Le orbite possibili sono a
distanze discrete dal nucleo
• Per muovere un elettrone ad un orbita ad
energia più elevata bisogna fornirgli un enegia
pari alla differenza tra l’orbita di arrivo e quella di
partenza.
• Viceversa se l’elettrone si muove verso un orbita
a minore energia, emetterà energia (sottoforma
di radiazione) pari alla differenza tra le due
orbite
• Rimanendo sulla sua orbita un elettrone non
emette nè assorbe energia
Inadeguatezza del modello di Bohr
• Il modello di Bohr può rappresentare
correttamente gli atomi più semplici ma fallisce
con quelli complessi (numero atomico elevato)
• La teoria atomica moderna è basata sul concetto
di orbitale, che rappresenta la regione di spazio
intorno al nucleo in cui si ha la maggiore
probabilità di trovare un elettrone
• Ogni atomo ha un certo numero di orbitali, a cui è
associata una quantità di energia multipla di una
quantità elementare detta quanto
• Quando un elettrone si sposta da un orbitale ad
un altro si ha emissione o assorbimento di energia
Aggregazione di atomi
• Aggregando atomi si formano le molecole, che
sono il costituente basilare di ogni forma si
materiale (elemento o sostanza)
• Le molecole si formano tramite legami (detti
covalenti) che coinvolgono gli elettroni di valenza
(orbitali più lontani)
• Gli stati di aggregazione della materia sono tre,
solido, liquido e gassoso. Dipendono da molteplici
fattori tra cui l’energia dei legami, l’energia
cinetica delle particelle ad una data temperatura
• Al variare della temperatura può modificarsi lo
stato di una sostanza
Modello a bande
• La disposizioni degli atomi dei materiali assume
una disposizione regolare che si ripete nello spazio
(struttura cristallina)
• Gli elettroni degli orbitali più esterni in queste
strutture hanno associati stati energetici ben precisi
detti bande
• Ogni materiale presenta almeno tre bande:
– Banda di valenza: valori di energia che ha un
elettrone legato al nucleo
– Banda proibita: livelli energetici non permessi
– Banda di conduzione: livello energetico richiesto
per liberare un elettrone dall’attrazione del
nucleo. E’ popolata solo nei conduttori
Classificazione dei materiali
• Isolanti: l’estensione della banda proibita è
molto grande. L’energia a temperatura ambiente
degli elettroni nella banda di valenza non è
sufficiente a spostarli in quella di conduzione
• Conduttori: la banda di conduzione è quasi
contigua a quella di valenza. Gli elettroni
dell’orbitale più esterno possono quindi spostarsi
nella banda di conduzione con il solo contributo
della temperatura
• Semiconduttori: l’estensione della banda
proibita è tale da consentire solo a pochi
elettroni di passare nella banda di conduzione a
temperatura ambiente.
• (Semiconduttori) All’aumentare della
temperatura il numero di elettroni che passa
nella banda di conduzione cresce rapidamente
• Superconduttori: sono materiali particolari che,
quando la temperatura scende sotto un valore
critico (vicino in genere allo zero assoluto: -273
°C), presentano una banda proibita nulla. Di
conseguenza tutti gli elettroni della banda di
valenza diventano liberi.
Caratterizzazione Elettrica dei materiali
• Il trasporto di carica attraverso un materiale
(corrente elettrica ) avviene tramite gli elettroni
nella banda di conduzione
• L’attitudine di un materiale a favorire il
passaggio di corrente è descritta dalla sua
conducibilità, misurata in (1/Ohm)/m. Il simbolo
usato è . L’inverso della conducibilità è definito
resistività
• Nei buoni conduttori è > di 105. I buoni isolanti
presentano una resistività >105.
Campi di forze elettriche
• Le cariche elettriche esercitano tra loro interazioni
descritte attraverso campi di forze
• Il campo Elettrico E è un vettore caratterizzato da
una direzione nello spazio e da una intensità.
Rappresenta la forza che viene esercitata su una
carica elementare sottoposta alla sua azione
Carica
elementare
Campo
Elettrico
Forza
esercitata
Materiali sottoposti a un Campo Elettrico
• Applicando un campo elettrico ad un buon
conduttore si fornisce energia agli elettroni liberi
che iniziano a muoversi nella direzione del
campo (corrente elettrica)
• Se il materiale è invecie un dielettrico non
essendoci elettroni liberi non si può ottenere un
movimento di cariche
• La forza esercitata dal campo elettrico sposta il
centroide della carica positiva totale rispetto a
quello della carica negativa (le due cariche totali
sono uguali per la neutralità del materiale)
• Si ottiene quindi un dipolo elettrico equivalente che
interagisce con il campo applicato:
Campo E
applicato nullo
±
Materiale
Dielettrico
Campo E
applicato
diverso
da 0
-
+
Materiale
Dielettrico
In realtà non si ha un solo dipolo ma tantissimi dipoli elementari,
che tendono più o meno ad allinearsi nella direzione del campo
applicato. L’orientazione si definisce polarizzazione del dielettrico.
La permittività elettrica (o costante dielettrica) misura la capacità
di una sostanza di lasciarsi polarizzare dal campo E applicato. Nel
vuoto vale:
= 8.8542 . 10-12 Farad/m
Per un generico materiale si pone = .r con r detta costante
dielettrica relativa del mezzo
Materiali dielettrici
• Sono in generale isolanti con valori di r
maggiore di 1
• Vengono impiegati per immagazzinare carica
elettrica (condensatori). Si vedrà che sono in
grado di ridurre la velocità di propagazione delle
onde elettromagnetiche
• Tutti i dielettrici reali presentano anche una
dissipazione legata all’energia consumata per
allineare I dipoli elementari
Il campo Magnetico
• Rappresenta un altro campo di forza H che viene
generato da una carica elettrica in movimento
• Anche un campo elettrico variabile nel tempo
produce un campo magnetico. Più precisamente
si ha in questo caso un campo elettromagnetico
essendo E ed H strettamente legati tra loro
• Il campo elettromagnetico è regolato dalle
equazioni di Maxwell
• Anche il campo magnetico interagisce con i
materiali a cui è applicato
Materiali sottoposto ad un campo Magnetico
• Quasi tutti i materiali sono quasi trasparenti
rispetto ad H (diamagnetici o paramagnetici)
• Solo per pochi materiali, detti ferromagnetici, (ad
es. ferro e cobalto), c’è un fenomeno analogo
alla polarizzazione elettrica, detta in questo caso
magnetizzazione
• Gli atomi dei materiali sono assimilabili a dipoli
magnetici elementari (elettroni che girano intorno
al nucleo).
• Nei materiali paramagnetici e diamagnetici
sottoposti a campo H l’allineamento dei dipoli è
quasi nullo, quindi tali materiali sono trasparenti
rispetto ad H
• Nei materiali ferromagnetici invece il campo H
determina un allineamento quasi completo dei
dipoli elementari. Si dice che il materiale risulta la
magnetizzato
• La permeabilità magnetica esprime l’attitudine
di un materiale a lasciarsi magnetizzare.
• Lo spazio vuoto presenta =0=4.10-7 A/m. In
generale si pone =0r, con r permeabilità
magnetica relativa
• Per i materiali paramagnetici r è leggermente
maggiore di 1, mentre è di poco inferiore a 1 per i
materiali diamagnetici
• I materiali ferromagnetici hanno invece r molto
maggiore di 1. Presentano inoltre fenomeni di
memoria
La legge di Ohm
• Applicando un campo elettrico E ad un mezzo
con conducibilità finita si prova un flusso di
carica (densità di corrente elettrica J):
J=.E
(Legge di Ohm)
• Passando alla corrente I e alla differenza di
potenziale V, la legge di Ohm si esprime come:
V=R.I
con R resistenza elettrica
• Per un conduttore di conducibilità s, spessore h
e sezione , la resistenza risulta:
R=h/(
