Conduttività: Capacità dei Materiali di Conducere Calore o Elettricità

Conduttività: Termica ed Elettrica

La proprietà che descrive la capacità di un materiale di permettere il flusso di calore o elettricità è la conduttività. È l'inverso della resistività (ρ).

Conduttività Elettrica (σ o κ)

• Definizione: σ = J / E (Densità di corrente / Campo elettrico) = 1 / ρ. Unità: Siemens per metro (S/m).
• Meccanismo: Flusso di portatori di carica (elettroni nei metalli, ioni negli elettroliti, elettroni/buchi nei semiconduttori).
• Conduttori (σ alta): Argento (63×10⁶ S/m), Rame (59,6), Oro (45), Alluminio (37,7). Usati per fili, barre, contatti.
• Isolanti (σ bassa): PTFE (10⁻¹⁶), Vetro (10⁻¹²), Gomma, Ceramica. Usati per isolamento, dielettrici.
• Semiconduttori (σ regolabile): Si, Ge, GaAs. σ controllato da drogaggio (10⁻⁴ – 10⁴ S/m). Base dell'elettronica.
• Superconduttori: σ = ∞ (ρ = 0) sotto T_c. Perdita DC zero.

Conduttività Termica (k o λ)

• Definizione: Flusso di calore / Gradiente di temperatura. q = -k ∇T. Unità: Watt per metro-Kelvin (W/m·K).
• Meccanismo: Vibrazioni reticolari (fononi) + diffusione elettronica (nei metalli).
• k alta: Diamante (2000), Argento (429), Rame (401), Alluminio (237), Grafene (~5000). Usati per dissipatori, spanditori, substrati.
• k bassa (Isolanti): Aerogel (0,015), Schiuma poliuretanica (0,03), Fibra di vetro (0,04), Aria (0,026). Usati per isolamento termico.

Legge di Wiedemann-Franz

Per i metalli, conduttività elettrica e termica sono collegate dagli elettroni liberi:

k / σ = L × T (L = numero di Lorenz ≈ 2,44×10⁻⁸ W·Ω/K²)

I buoni conduttori elettrici sono buoni conduttori termici. Eccezione: Diamante (k alta, σ=0).

Implicazioni Pratiche

• Dimensionamento fili: σ determina l'ampacità (perdita I²R → calore).
• Materiale dissipatore: Al (economico, leggero) vs Cu (k migliore) vs Diamante (estremo).
• Vie termiche PCB: Barili di rame conducono calore dal componente ai piani.
• TIM (Materiale Interfaccia Termica): Pasta/pad k = 1–10 W/m·K riempie spazi d'aria (k=0,026).
• Selezione isolante: Alta resistività elettrica + alta conduttività termica (AlN, BeO, Al₂O₃ ceramiche) per moduli di potenza.

Sommario: La conduttività quantifica quanto facilmente l'energia (carica o calore) fluisce. Alta σ/k = conduttore (Cu, Al). Bassa σ/k = isolante (plastica, ceramica). I semiconduttori stanno in mezzo, controllabili da drogaggio.