metalli

Scienze dei Materiali
A.A. 2010/2011
11 aprile 2011
Annalisa Tirella
[email protected]
Modulo METALLI– 11 aprile 2011
Metalli
I metalli sono elementi chimici che possono essere utilizzati sia
puri che in forma di leghe (combinazioni di più elementi).
Sono noti per le ottime caratteristiche di conduzione elettrica e
termica, nonché per la resistenza meccanica.
La struttura micro e macroscopica è strettamente legata alle
tecniche di lavorazione.
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Metalli
Descritti come una distribuzione di cariche
positive (nuclei atomici) circondati da un mare di
elettroni delocalizzati.
Una così stretta vicinanza degli atomi consente
agli elettroni, appartenenti agli orbitali più
esterni, detti elettroni di valenza, di essere
attratti da nuclei contigui.
Il legame che tiene legati nuclei ed elettroni è
detto legame metallico.
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Proprietà CHIMICO-FISICHE
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Densità
Temperature fusione, ebollizione
Cristallinità
Conduttività elettrica
Conduttività termica
Permeabilità
Indice di rifrazione
Colore
Ecc.
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Reticolo cristallino (cristallinità)
Il reticolo cristallino è una rappresentazione geometrica che
possiede una precisa disposizione di atomi ai vertici di una
struttura solida. La disposizione periodica ed ordinata di reticoli
cristallini conferisce il grado di cristallinità di un materiale.
Definiti gli elementi di simmetria (centri, rette e piani), è
possibile identificare i seguenti sistemi cristallini:
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Cubico
Rombiedrico
Tetragonale
Esagonale
Monoclino
Rombico
Triclino
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Struttura dei metalli
Caratterista di ogni metallo è la sua struttura. Ogni metalli ha un
reticolo cristallino che lo contraddistingue; tra le forme più
comuni si ricorda:
• Cubica corpo centrato (CCC)
Ferro, tungsteno, molibdeno
•
Cubica facce centrate (CFC)
Rame, acciaio, alluminio, piombo, oro, argento
•
Esagonale compatta
Magnesio, cadmio, zinco
(EC)
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Difetti della struttura cristallina
• Vacanze, sono difetti puntuali che creano discontinuità
elettriche;
• Dislocazioni, sono difetti di linea che creano discontinuità
nella trasmissione degli sforzi;
• Bordi di grano, sono difetti di superficie che causano il
cambiamento dell’orientamento della struttura cristallina;
• Difetti di volume, irregolarità della distribuzione dei reticoli
cristallini.
I difetti sono molto studiati poichè essi influenzano
enormemente le proprietà risultanti dei metalli
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Conducibilità elettrica
La conducibilità (o resistenza) elettrica è la
misura della forza esercitata da un materiale
per il passaggio di corrente elettrica.
La conducibilità elettrica è spesso indicata
come il reciproco della resistività.
Bassi valori di resistività indicano che il
materiale risponde molto velocemente
favorendo un movimento di cariche elettriche.
σ=
1
ρ
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Resistività
Nei metalli con sezione A costante è possibile indicare la
resistività come:
RA
ρ=
l
N.B. la resistività si misura
in (Ω·m), mentre la
resistenza elettrica in (Ω)
in cui R indica la resistenza elettrica del materiale.
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Resistività dei metalli
Argento
Rame
Oro
Alluminio
Tungsteno
Ferro
Platino
Silicio
1.62 ·10¯⁸
1.69 ·10¯⁸
2.35 ·10¯⁸
2.75 ·10¯⁸
5.25 ·10¯⁸
9.68 ·10¯⁸
10.6 ·10¯⁸
2.5 ·10³
Ω·m
Ω·m
Ω·m
Ω·m
Ω·m
Ω·m
Ω·m
Ω·m
La conducibilità è l’inverso della resistività
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Legge di Ohm
∆V
R=
i
Generatore di tensione
La Legge di Ohm esprime una relazione tra differenza di potenziale ai capi
di un conduttore e la corrente elettrica che lo attraversa
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Conducibilità termica
La conducibilità termica misura l’attitudine di
un materiale a trasmettere il calore, viene
definita come il rapporto tra il flusso di calore
ed il gradiente di temperatura:
flusso calore (W)·distanza(m)
sezione(m²)·∆temperatura(K)
N.B. la conducibilità
termica si misura in
W·m¯¹ ·K¯¹
Maggiore è la conducibilità termica meno è
isolante il materiale
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Conducibilità termica dei metalli
Argento
Rame
Oro
Alluminio
Ottone
Platino
430 W·m¯¹ ·K¯¹
390 W·m¯¹ ·K¯¹
320 W·m¯¹ ·K¯¹
236 W·m¯¹ ·K¯¹
111 W·m¯¹ ·K¯¹
70 W·m¯¹ ·K¯¹
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Resistività e temperatura
Nei metalli la resistività aumenta proporzionalmente con la
temperatura:
ρ = ρ0 [1+ α (T − T0 )]
In cui α indica il coefficiente termico del metallo.
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Resistività e temperatura
Con l’aumento della temperatura, gli
ioni positivi vibrano maggiormente
provocando:
dispersione degli elettroni di
conduzione,
diminuendo i percorsi liberi ed i tempi
che intercorrono fra una collisione e
l’altra
ρ = ρ0 [1+ α (T − T0 )]
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I semiconduttori
I semiconduttori sono una classe di materiali che hanno valori di resistività
compresa tra quella dei conduttori (metalli) e degli isolanti (plastiche). Gli
elettroni di valenza di questi materiali non riescono a passare alla banda di
conduzione (e.g. a basse temperature).
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I semiconduttori intrinseci
Il silicio ed il germanio sono due metalli semiconduttori. Una variazione di
temperatura (eccitazione termica) può indurre il passaggio degli elettroni dalla
banda di valenza a quella di conduzione, aumentando la conducibilità elettrica
e facendo passare corrente.
Nel caso in cui venga fornita energia, l’elettrone viene strappato dal suo legame ed al suo
posto si crea una lacuna-vacanza dovuta all’eccesso di carica positiva di quel determinato ione
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I semiconduttori intrinseci
Effetto della temperatura sulla semiconducibilità: aumentando l’energia di base
del sistema, si portano più elettroni in banda di conducibilità, quindi è più
semplice ottenere elettroni di valenza disponibili per la conduzione
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I semiconduttori estrinseci
Sono materiali drogati, ovvero materiali a cui sono state aggiunte
impurità puntuali (vacanze) nel reticolo cristallino.
L’elettrone messo a disposizione dall’impurezza
si trova in una banda intermedia, ad energia
più alta dei suoi simili. È quindi necessario un
quantitativo energetico inferiore ad eccitarlo e
portarlo in banda di conduzione
Drogaggio tipo p
Drogaggio tipo n