Materiali
Per utilizzare un materiale in qualunque campo è
necessario conoscerne le sue proprietà
La proprietà meccaniche
La proprietà termiche
la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di
una sostanza a trasmettere il calore
Temperatura di fusione: indica la temperatura per la
quale si ha il passaggio dallo stato solido a liquido
Capacità termica : rappresenta la quantità di calore da
fornire ad un corpo di massa m per fare variare la
temperatura di un grado
Dilatazione termica : indica la capacità di un corpo di
modificare le sue dimensioni fisiche a fronte di una
variazione di temperatura
La proprietà tecnologiche
la malleabilità indica la capacità di un materiale di
essere ridotta in lastre
La duttilità indica la capacità di un materiale di essere
ridotto in fili
Saldabilità : Indica la proprietà di un materiale ad essere
unito ad un altro in modo permanete
Tranciabilità : indica la capacita di un corpo di essere
tagliato in modo netto
La proprietà elettriche
Sono quelle proprietà che definiscono se un materiale è
un conduttore isolante e semiconduttore che vedremo
nelle prossime diapositive
Conduttori Isolanti
Semiconduttori
Conduttori
Isolanti
Semiconduttori
La proprietà elettrica di un materiale è definita dalla
seconda legge di Ohm
l
R
S
La resistenza elettrica di un campione di materiale di
definite dimensioni dipende dalla resistività
La resistività è definita come la resistenza elettrica
esistente tra due facce di un cubo con dimensione dei
lati unitari
Conduttori Isolanti
Conduttori
Isolanti Semiconduttori
Semiconduttori
Valori tipici di resistività è riportato tabella
( mm2 / m)
Materiale
Resistività
Argento (Ag)
0,016
Rame (Cu)
0,017
Costantana (lega 80% Cu,
40% Ni)
0,49
Germanio
60 x102
Silicio
2,3 x109
GaAs
3,9 x1012
Polietilene
1019÷1022
Qualche calcolo
Calcoliamo la resistenza elettrica per un
campione cilindrico di dimensioni S =
1cm2 ed l = 10cm
Isolante Polietilene ρ = 1019 [ Ω mm2/m]
2
l
10
10
16
R 1019
10
10
2
s
1 10
10 miliardi di milioni di Ω
Semiconduttore Silicio ρ = 2,3 •109 [ Ω mm2 /m]
2
l
10
10
6
2,3 milioni di Ω
R 2,3 109
2
,
3
10
s
1 102
Conduttore
Rame ρ = 0,014 [ Ω mm2 /m]
l
10 102
R 0,014
0,14
2
s
1 10
Il diverso comportamento è spiegabile con la teoria delle
bande energetiche
La resistività di un materiale dipende dal fatto che in un
cristallo di materiale sono presenti elettroni liberi o no
Per comprendere pienamente la teoria delle bande
energetiche dobbiamo analizzare la struttura atomica
della materia
L’atomo è la più piccola parte della materia che ne
conserva le proprietà chimiche fisiche
Ogni elemento è caratterizzato da un determinato tipo
di atomo che differisce da quello di qualsiasi altro
elemento, ossia ogni elemento è caratterizzato da una
sua particolare struttura atomica.
La struttura di un atomo è molto complessa, e la sua
descrizione viene fatta attraverso dei modelli più o meno
semplificati.
Per gli argomenti del corso è sufficiente fare riferimento
al modello ed alla teoria semiclassica di BhorSommerfield
Secondo questo modello l'atomo è composto da un
nucleo centrale e un certo numero di elettroni che
gravitano intorno ad esso su ben definite orbite. La
forma delle orbite è stata ipotizzata circolare da Bhor ed
ellittica da Sommerfield.
Modello atomico di Bohr (1913)
Struttura planetaria
1^) Gli elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite
ben definite
2^) L’elettrone nella sua orbita non irradia energia (stato stazionario)
3) Gli elettroni possono passare da un orbita all’altra emettendo o
assorbendo energia pari alla differenza di energia che competono ai
due livelli
Principio di esclusione di Pauli
Il nucleo è formato da protoni e neutroni
Nell’atomo solo l’elettrone costituisce una particella
elementare
Protoni e neutroni sono costituite da particella dette
quark
Protone 2 quark up (+2/3) ed 1quark down(-1/3)
Neutrone 2 quark down (-1/3) ed 1quark up(2/3)
Il neutrone (simbolo "n") è così chiamato perché non manifesta
proprietà elettriche; si dice elettricamente neutro cioè ha carica
elettrica zero. E' una particella molto piccola con una massa di
1,6 745x 10-27 Kg
Il protone (simbolo " p") possiede una massa (1,6723x 10-27 Kg )
paragonabile a quella del neutrone, dal punto di vista elettrico si
comporta come una particella elettrizzata e gli è stata attribuita
una carica elettrica positiva pari a 1,6 x10-27 C
L' elettrone (simbolo "e" ) ha una massa molto piccola rispetto
alle altre particelle 9,11 x 10-31 Kg. Esso presenta caratteristiche
elettriche opposte a quelle del protone e pertanto gli è stata
attribuita carica elettrica negativa la sua carica vale -1,6x10-19
C.
Protoni ed elettroni hanno la stessa carica ma di polarità
opposta
Ogni atomo possiede un numero di elettroni
esattamente uguale al numero dei protoni; pertanto dal
punto di vista elettrico è neutro.
Sotto alcune condizioni un atomo può cedere o acquisire
un elettrone; l'atomo viene così a trovarsi con un
eccesso di carica, positiva o negativa, un atomo con
questa caratteristica è detto ione
Un atomo è caratterizzato da due parametri :
Numero atomico (Z) coincidente con il numero di
protoni presenti nel nucleo
Numero di massa (A) e la somma del numero di
protoni e neutroni presenti nel nucleo
Numero di massa A = nr protoni + nr neutroni
Elementi che presentano lo stesso numero di protoni ma
diverso numero di neutroni sono detti isotopi.
Isotopo stesso numero atomico Z diverso numero di
massa A
Gli elementi chimici sono catalogati e riportati sulla
tavola periodica degli elementi secondo il suo peso
atomico
Il peso atomico è riferito ad 1/12 del peso del’atomo
dell’atomo di carbonio 12 (elemento molto stabile)
La tavola fornisce le seguenti indicazioni
Disposizione degli elettroni intorno al nucleo
Elettroni orbitanti intorno al nucleo su
orbite quantizzate avente una
energia ben definita
Il piano che contiene l’orbita dell’elettrone non è fisso ma ruota
intorno al nucleo, costituendo da un punto di vista spaziale un
guscio
Gli elettroni vicini al nucleo possiedono energia più bassa rispetto
a quelli più lontani
Gli elettroni più interni risultano più legati rispetto a quelli più
esterni
Un elettrone può passare da un orbita all’altra acquistando o
perdendo energia pari alla differenza dell’energia di transizione .
Più orbite sono raggruppate tra loro
Partendo dall’interno verso l’esterno, i raggruppamenti, vengono
designati con le lettere K,L,M,N,.. ( o con numeri naturali
(0,1,2,3,4..)
Tali raggruppamenti vengono detti orbitali ( o strati) elettronici
Ogni orbitale elettronico può contenere un determinato numero di
elettroni
o
n e 2n
2
Gli elettroni si distribuiscono in tanti sottolivelli quanto è il numero
quantico principale n
Ad esempio se il numero quantico è n = 1 è presente un solo
sottolivello indicato con 1s
Ad esempio se il numero quantico è n = 2 sono presenti due
sottolivelli 2s e 2p
Ad esempio se il numero quantico è n = 4 sono presenti quattro
sottolivelli 4s , 4p , 4d, 4f
Ogni sottolivello può contenere al massimo
s = due elettroni
p = 6 elettroni
d = 10 elettroni
f = 14 elettroni
Gli elettroni nei sottolivelli vanno 2 a 2 (principio di esclusione di
Pauli )quindi in un orbitale ci sono :
1 sottolivello s con due elettroni
3 sottolivelli p con due elettroni
5 sottolivelli d con due elettroni
7 sottolivelli f con due elettroni
Da notare che un l’energia di un
sottolivello appartenete ad uno
strato n può cadere nella banda
energetica che compete allo
strato n-1
ELETTRONI DI VALENZA : sono elettroni che appartengono
all’ultima orbitale e sono responsabile del legame tra atomi per la
formazione di cristalli
Gli elettroni di valenza sono quelli più energetici (debolmente
legati all’atomo)
L’energia che compete ad un elettrone libero è detta energia di
conduzione
Spliting degli elettroni
Cosa accade se avviciniamo due atomi uguali ?
Supponiamo di avvicinare due atomi uguali che per semplicità
contenga solo un livello energetico occupato da due elettroni
Avvicinamento a
qualche Å
Per il principio di esclusione di Pauli non possiamo avere 4
elettroni con lo stesso livello di energia
Il nuovo sistema costituito da due atomi avrà due livelli di energia
prossimi tra loro
L'ångström (Å), è un'unità di lunghezza non appartenente al SI corrispondente a 0,1 nm o 1×10-10 m.[1]
Avvicinando un numero N di atomi i livelli energetici più esterni si
dividono in N livelli energetici molto vicini tra loro
Il fenomeno dello splitting energetico avviene solo per gli elettroni
di valenza.
Gli elettroni più interni non subiscono lo splitting energetico e
rimangono nei loro orbitali atomici
Degenerazione di livelli di energia di atomi avvicinati ( 2s2 )
Avvicinamento di due atomi
Avvicinamento di alcuni atomi con aumento
dei livelli energetici
Avvicinamento di un numero elevatissimo di
atomi i livelli energetici sono indistinguibili
Nella formazione di un cristallo in cui intervengono molti atomi i
livelli energetici che si vengono a formare sono cosi fitti da poterli
assimilare ad un continuo (approssimazione)
Quindi in un sistema di molti atomi (cristallo solido) possiamo
approssimare l’insieme discreto dei livelli energetici ad un
continuo detto banda
In figura è rappresentata la
degenerazione dei livelli energetici s e
p per N atomi nella formazione di un
cristallo
Il livello s contiene due elettroni e
supponiamo che anche p ne contenga 2
E supponiamo che i livelli s e p appartengano all’ ultimo orbitale
dell’atomo (atomi del IV gruppo della tabella degli elementi)
Avvicinando gli atomi i livelli energetici splittano formando due
bande una relativa agli elettroni di livello s ed uno relativo al livello
p ognuna contenente 2N elettroni e separati da una banda
proibita linea a
Al diminuire della distanza interatomica le due bande si
sovrappongono (linea b) il che significa che la banda energetica
non è più relativa agli atomi ma al cristallo
Diminuendo ancora la distanza
interatomica si ha la formazione di due
bande distinte (linea c)
Una inferiore contenente tutti gli elettroni (2N+2N) detta banda di
valenza
Una superiore vuota detta banda di conduzione
Le due bande sono separate da una banda di energia non
permessa detta Banda proibita di ampiezza EG
Conduttore
Semiconduttore
Isolante
Ai fini della conduzione è importante la probabilità trovare
elettroni nella banda di conduzione (statistica Fermi Dirac)
Energia di Fermi o livello di Fermi EF
Energia di Fermi Il livello massimo di energia che un elettrone ha
allo zero assoluto 0K
Significa che allo zero assoluto un sistema di elettroni sono
contenuti nei livelli di energia permessa al disotto del valore del
livello di Fermi EF
Alla temperatura di 0 K i semiconduttori si comportano come degli
isolanti in quanto tutti gli elettroni sono in banda di valenza
All‘aumentare della temperatura ( t. ambiente) gli elettroni
possono acquistare energia tale da superare il gap energetico e
passare nella banda di conduzione
Gli isolanti presentano un gap energetico molto elevato, che non
permette agli elettroni di valenza di passare in quella di
conduzione.
Isolante elettrico
Materiale in cui il passaggio di corrente elettrica è inibito
Sono materiali in cui il gap energetico tra la banda di
conduzione e quella di valenza è molto elevato
Sono caratterizzati da una resistività molto elevata
l
R []
S
S
R [cm]
l
Per definizione la resistività è la resistenza elettrica
viene misurata tra le facce di un cubo di spigolo unitario
I materiali isolanti sono utilizzati per isolare
elettricamente conduttori
Contenitore per circuito integrato
Isolamento dei conduttori sotto tensione
Protezione dai contatti accidentali dei conduttori sotto
tensione con il corpo umano.
Rigidità dielettrica
Questo parametro stabilisce la massima tensione che
può essere applicata ad un isolante affinché non venga
distrutto
Misura della rigidità dielettrica
Si sottopone ad un provino di materiale
isolante di spessore d una tensione variabile
Per un certo valore della tensione applica si
ha una scarica elettrica che perfora il
provino
Si definisce rigidità dielettrica il rapporto tra la tensione che ha provocato la
scarica e lo spessore d del provino
L’effetto distruttivo è dovuto al campo all’elevato campo elettrico che si viene a
creare in grado di strappare gli elettroni al cristallo
Costante dielettrica
Indica la capacità di un isolante sottoposto ad un campo
elettrico di immaganizzare energia
Costante dielettrica riveste un ruolo fondamentale nella
scelta di materiale per realizzare un dispositivo elettrico
detto condensatore.
Classificazione degli isolanti
Isolanti organici
Sono costituite da sostanze nella cui struttura chimica
sono presenti atomi di carbonio e di idrogeno
Isolanti inorganici
Sono costituite da sostanze nella cui struttura chimica
non sono presenti atomi di carbonio
natura degli isolanti
Isolanti organici
Carta , legno, materie tessuti naturali, plastiche
Isolanti inorganici
Ceramica mica
Isolanti inorganici
Ceramica
Ottima qualità di isolante ed elevato dielettrico, elevata
conducibilità termica
Usato come dielettrico per realizzare condensatori
ceramici
Mica
Isolanti inorganici
È un minerale complesso costituito da silicati di alluminio
ed altri elementi tipo potassio sodio e litio
Presenta delle ottime proprietà di isolante
Presenta delle buone proprietà chimiche meccaniche e
termiche (max temperatura 800°C)
Usato come dielettrico per realizzare condensatori
Usato per realizzare elementi ti riscaldanti (ferro da
stiro)
Usato per realizzare isolamento elettrico tra componenti
elettrici e dissipatori di calore
Con il termine mica si definisce una serie di minerali allumino-silicati complessi, i cui
cristalli tendono a delaminarsi su una superficie, provocandone la tipica strutture a
lamelle o scaglie. La mica possiede notevoli proprietà termiche (resistenza ad alta
temperatura, ininfiammabilità, bassa conduttività elettrica), elettriche (alta resistività
elettrica, attorno ai 25 kV/mm) e chimiche (ottima stabilità nei confronti delle sostanze
aggressive, con l’eccezione di acido fluoridrico e solforico concentrato), che la rendono
un materiale di largo utilizzo industriale.
Isolanti organici
Carta
Pur essendo un buon isolante il suo impiego è limitato
dal suo elevato grado idroscopico e bassa rigidità
dielettrica.
Le caratteristiche migliorano se impregnati con resine
Utilizzato come isolante in macchine elettriche (motori
e trasformatori)
Isolanti organici
Materiali plastici o resine
Termoplastiche
Oggetti che volta sagomati
(con processi termici) possono
essere lavorati infinite volte
Es. rivestimento cavi
elettrici
Termoindurenti
Oggetti che volta sagomati (con processi
termici) diventano rigidi senza alcuna
elasticità . Se riscaldati non acquistano
plasticità ma carbonizzano)
Es. package circuiti integrati
La classe termica indica la massima temperatura di
lavoro del materiale isolante
IEC :International Electrotechnical Commission
organizzazione internazionale per la definizione
di standard in materia di elettricità, elettronica e
tecnologie correlate.
Resine termoindurenti
Su internet ricercare le caratteristiche delle seguenti
resine
1) Resine epossidiche
2) dialyl-ftalati
3) Resine fenoliche
4) Resine siliconiche
5) Resine poliestere
Esempio di ricerca sul web
Esempio di inglobamento
Resine termoplastiche
Su internet ricercare le caratteristiche delle seguenti
resine
1) Resine acriliche
2) Polietilene
3) Teflon
4) Cloruro di polivinile PVC
5) Resine poliestere
conduttori elettrici
I metalli sono in generale dei buoni conduttori elettrici
Nei metalli il gap energetico tra banda di valenza e e
quella di conduzione è praticamente inesistente
Sono caratterizzati da una resistività elettrica molto
bassa
S
R [cm]
l
La resistività per i metalli è influenzata dalla temperatura
La legge di dipendenza della resistività dalla
temperatura è espressa dalla relazione
T 0 [1 (T T0 )]
α prende il nome di coefficiente di temperatura
α dipende dal materiale e può assumere sia valori
positivi che negativi
α > 0 se T aumenta ρ aumenta
α < 0 se T aumenta ρ diminuisce
resistività di alcuni conduttori
Materiale
Resistività @20°C
Coefficiente di
-1)
temperatura
(°C
(Ωcm)
Rame (Cu)
1,7 •10-6
3,9 •10-3
Alluminio (Al)
2,8 •10-6
4 •10-3
Argento (Ag)
1,6 •10-6
3,8 •10-3
Oro (Au)
2,3 •10-6
3,4 •10-3
Costantana
49 •10-6
8 •10-6
Manganina
45 •10-6
10 •10-6
Conduttori elettrici
L’energia elettrica prodotta da un generatore deve
essere trasferita in modo efficiente all’utilizzatore
Il collegamento fisico tra un generatore elettrico e
utilizzatore è realizzato con conduttore elettrico
La lunghezza di un collegamento elettrico varia da km a
pochi cm
Materiali conduttori
Rame : i suo minerali (cuprite e calcoprite)ne
contengono circa il 2 %
Attraverso un processo di raffinazione per via elettrolitica
si ottiene una purezza intorno al 99% rame crudo
Per poter essere lavorato necessario purezze del
99,99% che si ottiene con processi metallurgici di
fusione in forno ( rame ricotto)
Caratteristiche
Ottima conducibilità, buona lavorabilità,buona resistenza
alla corrosione, ottima riciclabilità
Elevato costo, bassa resistenza meccanica
Alcune leghe di rame impiegate in elettronica
Costantana ( 55% Cu 45% Ni)
Manganina ( 84% Cu 12%Mn 4% Ni)
Rispetto al rame le leghe presentano una resistività più
elevata
Costantana e Manganina presentano un coefficiente di
temperatura molto basso per questa ragione vengono
utilizzati nella realizzazione delle resistenze di
precisione
Alluminio
Rispetto al rame presenta una conducibilità inferiore ma
un costo notevolmente inferiore
Viene utilizzato nelle linee ad alta tensione 220 330 KV
L’ossido di alluminio (Al2O3 Allumina) presente delle
ottime caratteristiche isolanti e viene utilizzato come
dielettrico nei condensatori elettrolitici
Argento
Presenta una resistività inferiore al rame ed un elevata
resistenza all’ossidazione
Viene utilizzato per realizzare contatti elettrici di
interruttori e relais
Oro
Presenta una buona conducibilità può essere ridotto in
fili sottilissimi
Viene utilizzato per realizzare contatti elettrici nei circuiti
integrati
