Unità 6
La corrente elettrica nei
metalli e nei semiconduttori
1. I conduttori metallici
•
•
•
•
In un metallo gli atomi, divenuti ioni positivi,
sono disposti regolarmente nel reticolo
cristallino;
gli elettroni più esterni sono liberi di spostarsi
nel reticolo: sono gli elettroni di conduzione;
sia gli ioni che gli elettroni sono soggetti al moto
di agitazione termica, disordinato;
quando il metallo è sottoposto a una differenza
di
potenziale,
all'agitazione
termica
si
sovrappone un moto lento ma ordinato degli
elettroni liberi verso i punti a potenziale
maggiore.
I conduttori metallici
•
La traiettoria di ogni elettrone è determinata
dagli urti contro gli ioni del reticolo.
Spiegazione microscopica dell'effetto Joule
•
•
•
Questo modello della conduzione elettrica
spiega il riscaldamento del metallo per effetto
Joule:
quando passa corrente, il campo elettrico
accelera gli elettroni, che spesso perdono molta
della loro energia cinetica urtando contro gli ioni
del reticolo;
in questo modo aumenta il moto di agitazione
termica degli ioni: il metallo si scalda perché gli
ioni assorbono l'energia cinetica.
La velocità di deriva degli elettroni
•
•
•
•
Il moto degli elettroni di conduzione si descrive
con un modello semplificato:
si ipotizza che tutti gli elettroni che
contribuiscono alla corrente elettrica si muovano
verso i punti a potenziale maggiore con la stessa
velocità: la velocità di deriva vd;
vd è il modulo della velocità media degli
elettroni del metallo.
Per i = 1 A in un filo di rame di sezione 1 mm2,
risulta vd = 7 x 10-5 m/s.
2. La seconda legge di Ohm
•
Ohm scoprì un'altra legge sperimentale:
•
Seconda legge di Ohm:
•
la resistenza di un filo conduttore è direttamente
proporzionale alla sua lunghezza l e
inversamente proporzionale alla sua sezione A.
La seconda legge di Ohm
•
•
•
La costante ρ è detta resistività e dipende dal
materiale e dalla sua temperatura.
Le dimensioni fisiche della resistività
ottengono ricavando ρ dalla legge:
si
Quindi l'unità di misura della resistività nel S.I. è
Ω ⋅ m.
La seconda legge di Ohm
•
Le due leggi di Ohm valgono (talvolta
approssimate) per la maggior parte dei solidi.
La seconda legge di Ohm
•
•
Dal valore della resistività si capisce se una
sostanza è un buon conduttore elettrico o un
isolante.
Il valore di ρ dipende anche dalla temperatura.
3. La dipendenza delle resistività dalla temperatura
•
•
L'andamento sperimentale della resistività in
funzione della temperatura in molti metalli è
descritto dal grafico:
Nei metalli ρ
temperatura.
aumenta
al
crescere
della
5. L'effetto Volta
•
•
•
A. Volta all'inizio dell'Ottocento scoprì l'effetto
Volta:
mettendo a contatto due metalli, tra essi si
instaura una differenza di potenziale pari alla
differenza tra i loro potenziali di estrazione.
Se uniamo ad esempio un pezzo di calcio
(Ve= 3,20 V) e uno di nichel (Ve= 4,91 V), gli
elettroni del calcio, meno legati, tenderanno a
spostarsi verso il nichel.
La catena di più metalli
•
•
•
•
Volta classificò i conduttori in:
conduttori di prima specie (es. metalli)
che seguono la legge dei contatti
successivi;
conduttori di seconda specie (es.
soluzioni) che non la seguono.
Combinando opportunamente i due tipi
di conduttori, egli realizzò il primo
generatore di tensione: la pila.
6. I semiconduttori
•
•
•
I semiconduttori sono materiali con resistività
intermedia tra i conduttori e gli isolanti (ad
esempio silicio e germanio);
inoltre nei semiconduttori ρ diminuisce al
crescere della temperatura, al contrario dei
conduttori.
La densità dei portatori di carica è circa 10-9
volte quella dei metalli. (Ad esempio: 1014 in un
cm3 di Ge, 1023 in uno di Cu).
