Cosa Rende un Materiale un Buon Conduttore Elettrico?
Tutto Riguarda Elettroni Liberi e Pochi Ostacoli
La conduttività elettrica (σ) è l'inverso della resistività (ρ). Un buon conduttore massimizza σ combinando alta densità di portatori di carica con alta mobilità dei portatori.
Origini Microscopiche
- Metalli: "Mare di elettroni" — 1–2 elettroni liberi per atomo (n ≈ 10²⁸–10²⁹ m⁻³). Bassa diffusione → mobilità 10⁻³–10⁻² m²/V·s.
- Grafite: Elettroni π delocalizzati in piani sp² — anisotropa (alta nel piano, bassa fuori piano).
- Elettroliti / Plasma: Ioni / elettroni come portatori — mobilità inferiore, ma n può essere alta.
Proprietà Chiave dei Materiali
| Materiale | Resistività @ 20 °C (nΩ·m) | Conduttività (% IACS) | Note |
|---|---|---|---|
| Argento | 15,9 | 105 % | Miglior conduttore massiccio; costo limita l'uso |
| Rame (ricotto) | 16,8 | 100 % (def) | Standard per cavi, barre, PCB |
| Oro | 22,1 | 76 % | Contatti senza corrosione, filo di bonding |
| Alluminio | 26,5 | 61 % | Leggero; linee aeree, stagnola |
| Tungsteno | 52,8 | 31 % | Alto punto di fusione; filamenti |
| Grafite (piano basale) | ~400 | ~4 % | Anisotropa; spazzole, elettrodi |
| Acqua di mare | ~200.000.000 | ~0,008 % | Conduzione ionica |
Fattori che Degradano la Conduttività
- Temperatura: ρ ∝ T per metalli (diffusione fononi). Rame +0,393 %/°C.
- Impurità / Legatura: 1 % impurità → aumento ρ del 20–50 % (regola di Matthiessen).
- Lavorazione a freddo / deformazione: Dislocazioni diffondono elettroni — filo ricotto > filo trafilato.
- Effetto pelle: Ad HF, la corrente si affolla in superficie → R effettiva ↑ ∝ √f.
- Ossidazione / corrosione: Film superficiale aggiunge resistenza di contatto.
Scelta Ingegneristica
Il rame vince per la maggior parte del cablaggio (costo, conduttività, lavorabilità). L'alluminio per campate aeree critiche per peso. L'oro per contatti affidabili. L'argento per percorsi critici RF per effetto pelle. Superconduttori (NbTi, YBCO) per resistenza DC zero — a costo criogenico.