materiali e tecnologie elettriche

CORSO DI
MATERIALI E
TECNOLOGIE ELETTRICHE
Prof. Giovanni Lupò
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università di Napoli Federico II
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica – III anno – II semestre
a.a. 2009/10 –IV‐
MODELLI DI CONDUZIONE NEI METALLI
• l’elettrone è considerabile come una sfera carica obbediente alle leggi della meccanica classica (modello di Drude o modello a “palla di biliardo”)
Nee2 τ
Nee2 λ
J = N e e vD =
E=
E =σ E
2me
2me ⋅ u
• l’elettrone è un oggetto quantico libero, senza interazione con il mezzo in cui si muove, salvo alla sua frontiera (modello di Sommerfeld o modello dell’elettrone libero in un pozzo di potenziale)
• l’elettrone è un oggetto quantico sottoposto all’azione del mezzo in cui si muove, che però ha solo un ruolo passivo (modello energetico a bande)
• l’elettrone è un oggetto quantico sottoposto all’azione del mezzo in cui si muove con cui interagisce (modello di Bardeen, Cooper e Schrieffer).
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SOLUZIONI ELETTROLITICHE
• La conducibilità di un elettrolito è legata alla concentrazione ed alla mobilità degli ioni positivi e negativi
• La conducibilità di un elettrolito va misurata a frequenza abbastanza elevata (1000 Hz) per poter trascurare l’influenza delle reazioni chimiche agli elettrodi (un resistore elettrolitico è generalmente rappresentabile con una resistenza in serie a due capacità di valore elevato, ad es 100 μF
Gli elettroliti si distinguono in:
• elettroliti forti (acidi forti e basi forti, sali in generale) (conducibilità dell’ordine di 10 S/m, sensibilmente proporzionale alla concentrazione di soluto) ‐ la deviazione dalla legge lineare è generalmente ascrivibile alle interazioni ioniche
• elettroliti deboli (acidi deboli e basi deboli), con conducibilità dell’ordine di 0,01 S/m, poco variabile con la concentrazione in quanto le molecole in soluzione sono dissociate solo in una frazione α del numero totale CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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SOLUZIONI ELETTROLITICHE (2)
• Spesso viene introdotta la conducibilità equivalente Λ, riferendo la conducibilità σ alla concentrazione c. Negli elettroliti forti, per concentrazioni non basse, Λ assume il valore limite Λo, corrispondenti alla mobilità limite delle specie ioniche, mentre per concentrazioni basse, il valore della conducibilità equivalente diminuisce per l’interazione (di attrazione) tra le specie di segno opposto. Per elettroliti deboli, le mobilità attrazione) tra le specie di segno opposto. Per elettroliti debo
li, le mobilità delle specie ioniche variano molto poco con la concentrazione, per il basso grado di dissociazione. Anzi la misura della conducibilità permette di valutare anche il grado di dissociazione α=Λ/Λo (essendo Λo la conducibilità equivalente a diluizione infinita).
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CONDUTTORI NON METALLICI: IL CARBONIO
•
Il Carbonio si trova in due forme. La forma cristallina include il diamante e la grafite, la forma amorfa include il carbone di legna, il carbon fossile, il carbon‐black e il coke. Si può ottenere la grafite per sublimazione del carbone amorfo in forno ad arco.
•
La maggior parte del carbonio per applicazioni elettriche è ottenuto da una miscela di carbone in polvere o grafite e leganti (pece o resine) che vengono mescolati, estrusi e quindi cotti a 900°C rimuovendo l’aria e i residui volatili. Il prodotto può essere convertito in elettrografite in forni in assenza di ossigeno, a temperature superiori a 2200°C.
•
La resistività del carbonio ha un coefficiente di temperatura negativo (la grafite ha un comportamento più complesso). Anche la conducibilità termica aumenta all’aumentare della temperatura.
con la polvere di grafite o di carbon black si ottengono vernici conduttrici per schermature o per produrre resistori a strato.
•
•
con la grafite, il carbon black o il coke assieme ad agglomeranti si producono contatti striscianti, resistori ad impasto ed elettrodi.
•
il carbon black si usa come carica conduttrice per ottenere polimeri conduttori.
•
deve consentire gli opportuni fenomeni di conduzione tra le superfici in contatto;per impedire formazione di scariche, il contatto deve presentare una significativa resistenza; la resistenza di contatto varia notevolmente con la pressione fra le parti Il carbonio è anche usato nelle lampade ad arco. Gli elettrodi di carbonio contengono diversi sali metallici (calcio, cobalto,…) per variare il colore della luce dell’arco (dall’ultravioletto all’infrarosso).
•
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Nanostrutture in carbonio
• Fino al 1985 erano note solamente due forme di carbonio cristallino : quella tridimensionale del diamante e quella planare della grafite. Gli studi di Richard E. Smalley (premio Nobel) hanno portato alla scoperta di una terza forma: quella dei fullereni.
• I fullereni sono delle ʺgabbieʺ approssimativamente sferiche formate da un arrangiamento ordinato di strutture esagonali e pentagonali di atomi di carbonio. La quantità di poligoni presenti e la loro relativa proporzione determinano la forma e le dimensioni del fullerene. Il primo fullerene scoperto è il C60 , che ha la stessa forma di un pallone da calcio, ed è per questo conosciuto anche col nome di buckyball. I fullereni vengono prodotti artificialmente con un sistema di vaporizzazione del carbonio ad alta temperatura ma
sono stati ritrovati in minime percentuali anche natura.
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Schema del “buckyball”
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Nanostrutture in carbonio
• Le nanofibre, o nanofilamenti, sono strutture fibrose il cui diametro è compreso tra qualche decina e qualche centinaio di nanometri. Queste fibre possono avere strutture molto differenti, spaziando dai ʺgraphite wiskersʺ, costituiti da uno strato di grafite arrotolato più volte su se stesso, fino alle fibre ʺplateletʺ, costituite da strati di grafite perpendicolari allʹasse della fibra.
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Nanotubi in carbonio (CNT)
• In generale è possibile dividere i nanotubi al carbonio in due grandi famiglie : i nanotubi a parete singola (single‐walled nanotubes, o SWNT) e i nanotubi a parete multipla (multi‐walled nanotubes, o MWNT). I SWNT possono essere considerati, per conformazione e struttura, come degli appartenenti alla famiglia dei fullereni, mentre i MWNT sono più prossimi alla famiglia dei nanofilamenti, di cui rappresentano un caso particolare CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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Nanotubi a parete singola (SWNT)
•
Un SWNT ideale può essere descritto come un tubo in carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato su se stesso a formare un cilindro, chiuso alle due estremità da due calotte emisferiche. Il corpo del nanotubo eʹ formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura (le due semisfere) sono formate da esagoni e pentagoni, come i normali fullereni. Per questa ragione i SWNT possono essere considerati come una sorta di ʺfullereni gigantiʺ, e sono per questo motivo chiamati anche ʺbuckytubesʺ.
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Nanotubi a parete singola (SWNT)
•
Lʹelevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro dei SWNT consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali, e conferisce a queste molecole delle proprietà peculiari,. Ogni SWNT è caratterizzato dal suo diametro e dal suo ʺvettore chiraleʺ (n,n) o ʺelicitàʺ, cioè dalla direzione di arrotolamento della grafite in rapporto allʹasse del tubo CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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Nanotubi a parete singola (SWNT)
Nanotubo (10,10) ʺarmchairʺ Nanotubo (9,0) ʺzig‐zagʺ CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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PROPRIETA’ MECCANICHE DEI NANOTUBI
•
•
I nanotubi sono resistenti alla rottura per trazione, ma anche molto flessibili, e possono essere piegati ripetutamente fino a circa 90° senza rompersi o danneggiarsi. Lʹestrema resistenza dei nanotubi, unita alla loro flessibilità, li renderebbe ideali per lʹuso come fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte prestazioni, in sostituzione delle normali fibre in carbonio, del kevlar o delle fibre di vetro. CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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CONDUZIONE ELETTRICA NEI NANOTUBI
•
La struttura elettronica dei nanotubi è molto simile a quella della grafite, dotata di buone capacità di conduzione in direzione planare, e sarebbe quindi lecito aspettarsi un comportamento simile da parte dei nanotubi. I nanotubi hanno invece mostrato delle sorprendenti proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria: i SWNT ʺarmchairʺ mostrano un comportamento metallico, gli altri un comportamento da metallo o da semiconduttore a seconda dei casi. Eʹ stato anche notato che, in determinate condizioni, gli elettroni possono passare allʹinterno di un nanotubo senza scaldarlo (fenomeno chiamato ʺconduzione balisticaʺ). Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti per lo sviluppo di ʺnanocaviʺ o ʺcavi quanticiʺ, che potrebbero sostituire il silicio nel campo dei materiali per lʹelettronica, e consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica. CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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CARBURO DI SILICIO ED OSSIDO DI ZINCO
Tali elementi costituiscono la base per la produzione dei resistori non lineari
che formano l’elemento principale degli scaricatori usati negli impianti elettrici e dei varistori usati nei circuiti elettronici:
‐Il Carburo di Silicio (SiC) viene prodotto fondendo sabbia e coke a circa 2.000 oC; si presenta come una polvere cristallina di colore bluastro; presenta una caratteristica tensione‐corrente non lineare; può essere impiegato per produrre vernici semiconduttive (es. nel controllo di campo elettrico nelle barre dei generatori / motori).
‐ l’ Ossido di Zinco (ZnO) puro si usa per formare una ceramica con ottime qualità isolanti. L’aggiunta del 10% di ossido di bismuto, ossido di antimonio e tracce di altri ossidi metallici conferisce a questo materiale caratteristiche di conducibilità di tipo non lineare che lo rende particolarmente adatto per la costruzione di varistori e scaricatori.
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RESISTORE NON LINEARE IN
CARBURO DI SILICIO
SPINTEROMETRO
METALLIZZAZIONE
S
R
RIVESTIMENTO
ISOLANTE
H
2R
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CARATTERISTICA
CARATTERISTICA CORRENTECORRENTE- CAMPO
CAMPO
ELETTRICO
ELETTRICO DI
DI UN
UN RESISTORE
RESISTORE ZnO
ZnO
E [V/mm]
103
102
10
10-8
10-6
10-4
10-2
1
102
104
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106
I [A]
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RESISTORE
RESISTORE NON
NON LINEARE
LINEARE IN
IN OSSIDO
OSSIDO
DI
DI ZINCO
ZINCO
METALLIZZAZIONE
R
RIVESTIMENTO
ISOLANTE
H
2R
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CONDUZIONE
CONDUZIONE PER
PER BANDE
BANDE DI
DI LIVELLI
LIVELLI
ENERGETICI
ENERGETICI
W
ΔW
CONDUTTORE
SEMICONDUTTORE
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ISOLANTE
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MATERIALI SEMICONDUTTIVI
hanno un livello intermedio di conducibilità fra conduttori e isolanti grazie a drogaggio con additivi conduttori (es. carbon black). la densità di additivi spesso deve essere tale da dar luogo a meccanismi di conduzione per percolazione.
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σ = n p eμ p + n n eμ n
SEMICONDUTTORI INTRINSECI
Sono materiali per i quali la conducibilità non dipende dalle impurità presenti ma è una caratteristica intrinseca del materiale.
I materiali semiconduttori (solfuro di piombo, silicio, selenio, germanio,…) hanno conducibilità notevolmente più bassa dei metalli. Trattasi in genere di materiali tetravalenti con legami di valenza stabili che diventano labili all’aumentare della temperatura, rendendo disponibili elettroni alla alla migrazione (conduzione tipo n). La lacuna lasciata dall’elettrone può quindi spostarsi ed è equivalente al moto di cariche positive (conduzione tipo p).
La conducibilità intrinseca vale
σ = n p eμ p + nn eμ n
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SEMICONDUTTORI ESTRINSECI
in questo caso l’eccesso di elettroni o di lacune elettroniche e’ prodotto da impurità che alterano le caratteristiche di conduzione di tali materiali.
il materiale più importante è il silicio.
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SEMICONDUTTORI DROGATI
• Aggiungendo ad un semiconduttore base (es. germanio) un elemento
pentavalente (es. arsenico, fosforo, antimonio), si ha un eccesso di elettroni disponibili per la conduzione (portatori maggioritari), con un aumento di diversi ordini di grandezza della conducibilità (drogaggio e conduzione tipo n); le lacune (portatori minoritari ) hanno concentrazione molto più bassa.
• L’opposto accade in caso di drogaggio con atomi trivalenti (es. boro); in questo caso la conduzione di tipo p è prevalente (le lacune sono i portatori maggioritari).
• Le giunzioni di materiali con drogaggio p ed n presentano caratteristiche di conduzione fortemente asimmetriche e possono essere usate per la
realizzazione di componenti raddrizzatori con eventuale possibilità di controllo.
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CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI
CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI
MATERIALE Elementi C (diamante) silicio germanio Composti GaAs InP InAs Conducibilità intrinseca (S/m) < 10 ‐16 3 x 10 ‐4 2 10 ‐6 5 x 10 2 10 4 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐IV‐
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MATERIALI CERAMICI
• notevole durezza
⎛ carico applicato ⎞
⎟⎟
⎜⎜
superficie
impronta
⎠
⎝
• resistenza agli agenti corrosivi ambientali
• refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni chimiche)
• fragilità (rottura brusca, senza snervamento)
• combinazione di materiali metallici e non metallici (gli ioni metallici (positivi) e quelli non metallici (negativi) stabiliscono un legame forte che ne spiega la fragilità, l’inerzia chimica e la durezza)
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MATERIALI CERAMICI PER USO ELETTRICO
• Materiali tradizionali
– Caolino (argilla, feldspato)
– allumina Al2 O3
– Muscovite (mica bianca)
• Materiali innovativi
‐ ossidi di titanio e calcio
‐ ferroelettrici (ossidi di bario e titanio)
• Materiali avanzati (preceramici)
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ISOLATORI CERAMICI
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PASSANTE (Bushing)
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Smalto per isolamenti (glaze)
‐Silicio
‐ Ossidi metallici ‐Ossidi di stagno e zirconio
‐ aggiunta di semiconduttori
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ISOLATORI IN MICA
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-• Fine MTE_04
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