Cosa permette all'elettricità di viaggiare facilmente? Conduttori, elettroni liberi e bassa resistenza
I materiali che permettono all'elettricità di scorrere facilmente sono chiamati conduttori. Il meccanismo: elettroni liberi (delocalizzati) nella struttura del materiale.
Perché i conduttori conducono
- Legame metallico: Gli atomi condividono un "mare" di elettroni di valenza non legati a un singolo nucleo.
- Teoria delle bande: La banda di conduzione si sovrappone alla banda di valenza (o è parzialmente piena) → elettroni si muovono liberamente sotto un piccolo campo elettrico.
- Bassa resistività (\(\rho\)): Rame: \(1.68 \times 10^{-8} \Omega\cdot\text{m}\) a 20°C. Argento: \(1.59 \times 10^{-8}\) (miglior metallo).
Migliori materiali conduttori
| Materiale | Conducibilità (% IACS) | Uso comune |
|---|---|---|
| Argento (Ag) | 105% | Contatti specializzati, RF, audio di alta gamma |
| Rame (Cu) | 100% (standard) | Cavi edilizi, avvolgimenti motori, tracce PCB, barre conduttrici |
| Oro (Au) | 76% | Placcatura connettori (senza corrosione) |
| Alluminio (Al) | 61% | Linee aeree, alimentatori, foglio, dissipatori |
| Tungsteno (W) | 31% | Filamenti, elettrodi (alto punto di fusione) |
| Grafite / Carbonio | ~0.1–1% (anisotropico) | Spazzole, elettrodi EDM, anodi batteria |
| Elettroliti (Acqua salata, Acido, Fluidi corporei) | Conduzione ionica | Batterie, elettrolisi, bioelettricità |
| Plasma / Gas ionizzato | Molto alta (quando ionizzato) | Saldatura ad arco, lampade fluorescenti, fulmini |
Conduttori vs Isolanti vs Semiconduttori
- Conduttori: \(\rho \sim 10^{-8} \Omega\cdot\text{m}\), Band gap = 0.
- Semiconduttori: \(\rho \sim 10^{-3}–10^5 \Omega\cdot\text{m}\), Band gap ~1 eV (Si, Ge, GaAs). Controllabile per drogaggio/campo.
- Isolanti: \(\rho > 10^{10} \Omega\cdot\text{m}\), Band gap grande (>5 eV). PVC, XLPE, Vetro, Mica, Ceramica, Aria.
Nota pratica
"Facilmente" dipende anche dalla geometria. Un filo di rame spesso e corto conduce "più facilmente" (resistenza R inferiore) di uno sottile e lungo. Resistenza \(R = \rho \frac{L}{A}\).