Materiali

Per utilizzare un materiale in qualunque campo è necessario conoscerne le sue proprietà La proprietà meccaniche

La proprietà termiche la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore  Temperatura di fusione: indica la temperatura per la quale si ha il passaggio dallo stato solido a liquido Capacità termica : rappresenta la quantità di calore da fornire ad un corpo di massa m per fare variare la temperatura di un grado Dilatazione termica : indica la capacità di un corpo di modificare le sue dimensioni fisiche a fronte di una variazione di temperatura

La proprietà tecnologiche la malleabilità indica la capacità di un materiale di essere ridotta in lastre La duttilità indica la capacità di un materiale di essere ridotto in fili Saldabilità : Indica la proprietà di un materiale ad essere unito ad un altro in modo permanete Tranciabilità : indica la capacita di un corpo di essere tagliato in modo netto

La proprietà elettriche Sono quelle proprietà che definiscono se un materiale è un conduttore isolante e semiconduttore che vedremo nelle prossime diapositive

Conduttori Isolanti Semiconduttori

Conduttori Isolanti Semiconduttori La proprietà elettrica di un materiale è definita dalla seconda legge di Ohm La resistenza elettrica di un campione di materiale di definite dimensioni dipende dalla resistività La resistività è definita come la resistenza elettrica esistente tra due facce di un cubo con dimensione dei lati unitari

Conduttori Isolanti Semiconduttori Valori tipici di resistività è riportato tabella

Materiale Argento (Ag) 0,016 Rame (Cu) 0,017 0,49 Germanio 60 x102 Resistività Argento (Ag) 0,016 Rame (Cu) 0,017 Costantana (lega 80% Cu, 40% Ni) 0,49 Germanio 60 x102 Silicio 2,3 x109 GaAs 3,9 x1012 Polietilene 1019÷1022

Isolante Polietilene ρ = 1019 [ Ω mm2/m] Qualche calcolo Calcoliamo la resistenza elettrica per un campione cilindrico di dimensioni S = 1cm2 ed l = 10cm Isolante Polietilene ρ = 1019 [ Ω mm2/m] 10 miliardi di milioni di Ω Semiconduttore Silicio ρ = 2,3 •109 [ Ω mm2 /m] 2,3 milioni di Ω Conduttore Rame ρ = 0,014 [ Ω mm2 /m]

Il diverso comportamento è spiegabile con la teoria delle bande energetiche La resistività di un materiale dipende dal fatto che in un cristallo di materiale sono presenti elettroni liberi o no Per comprendere pienamente la teoria delle bande energetiche dobbiamo analizzare la struttura atomica della materia L’atomo è la più piccola parte della materia che ne conserva le proprietà chimiche fisiche Ogni elemento è caratterizzato da un determinato tipo di atomo che differisce da quello di qualsiasi altro elemento, ossia ogni elemento è caratterizzato da una sua particolare struttura atomica.

La struttura di un atomo è molto complessa, e la sua descrizione viene fatta attraverso dei modelli più o meno semplificati. Per gli argomenti del corso è sufficiente fare riferimento al modello ed alla teoria semiclassica di Bhor-Sommerfield Secondo questo modello l'atomo è composto da un nucleo centrale e un certo numero di elettroni che gravitano intorno ad esso su ben definite orbite. La forma delle orbite è stata ipotizzata circolare da Bhor ed ellittica da Sommerfield.

Modello atomico di Bohr (1913) Struttura planetaria 1^) Gli elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite ben definite 2^) L’elettrone nella sua orbita non irradia energia (stato stazionario) 3) Gli elettroni possono passare da un orbita all’altra emettendo o assorbendo energia pari alla differenza di energia che competono ai due livelli Principio di esclusione di Pauli

Il nucleo è formato da protoni e neutroni Nell’atomo solo l’elettrone costituisce una particella elementare Protoni e neutroni sono costituite da particella dette quark Protone 2 quark up (+2/3) ed 1quark down(-1/3) Neutrone 2 quark down (-1/3) ed 1quark up(2/3)

Il neutrone (simbolo "n") è così chiamato perché non manifesta proprietà elettriche; si dice elettricamente neutro cioè ha carica elettrica zero. E' una particella molto piccola con una massa di 1,6 745x 10-27 Kg Il protone (simbolo " p") possiede una massa (1,6723x 10-27 Kg ) paragonabile a quella del neutrone, dal punto di vista elettrico si comporta come una particella elettrizzata e gli è stata attribuita una carica elettrica positiva pari a 1,6 x10-27 C L' elettrone (simbolo "e" ) ha una massa molto piccola rispetto alle altre particelle 9,11 x 10-31 Kg. Esso presenta caratteristiche elettriche opposte a quelle del protone e pertanto gli è stata attribuita carica elettrica negativa la sua carica vale -1,6x10-19 C.

Protoni ed elettroni hanno la stessa carica ma di polarità opposta Ogni atomo possiede un numero di elettroni esattamente uguale al numero dei protoni; pertanto dal punto di vista elettrico è neutro. Sotto alcune condizioni un atomo può cedere o acquisire un elettrone; l'atomo viene così a trovarsi con un eccesso di carica, positiva o negativa, un atomo con questa caratteristica è detto ione

Un atomo è caratterizzato da due parametri : Numero atomico (Z) coincidente con il numero di protoni presenti nel nucleo Numero di massa (A) e la somma del numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo Numero di massa A = nr protoni + nr neutroni

Elementi che presentano lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi. Isotopo stesso numero atomico Z diverso numero di massa A

Gli elementi chimici sono catalogati e riportati sulla tavola periodica degli elementi secondo il suo peso atomico Il peso atomico è riferito ad 1/12 del peso del’atomo dell’atomo di carbonio 12 (elemento molto stabile) La tavola fornisce le seguenti indicazioni

Disposizione degli elettroni intorno al nucleo Elettroni orbitanti intorno al nucleo su orbite quantizzate avente una energia ben definita Il piano che contiene l’orbita dell’elettrone non è fisso ma ruota intorno al nucleo, costituendo da un punto di vista spaziale un guscio Gli elettroni vicini al nucleo possiedono energia più bassa rispetto a quelli più lontani Gli elettroni più interni risultano più legati rispetto a quelli più esterni Un elettrone può passare da un orbita all’altra acquistando o perdendo energia pari alla differenza dell’energia di transizione .

Più orbite sono raggruppate tra loro Partendo dall’interno verso l’esterno, i raggruppamenti, vengono designati con le lettere K,L,M,N,.. ( o con numeri naturali (0,1,2,3,4..) Tali raggruppamenti vengono detti orbitali ( o strati) elettronici Ogni orbitale elettronico può contenere un determinato numero di elettroni

Gli elettroni si distribuiscono in tanti sottolivelli quanto è il numero quantico principale n Ad esempio se il numero quantico è n = 1 è presente un solo sottolivello indicato con 1s Ad esempio se il numero quantico è n = 2 sono presenti due sottolivelli 2s e 2p Ad esempio se il numero quantico è n = 4 sono presenti quattro sottolivelli 4s , 4p , 4d, 4f Ogni sottolivello può contenere al massimo s = due elettroni p = 6 elettroni f = 14 elettroni d = 10 elettroni

Gli elettroni nei sottolivelli vanno 2 a 2 (principio di esclusione di Pauli )quindi in un orbitale ci sono : 1 sottolivello s con due elettroni 3 sottolivelli p con due elettroni 5 sottolivelli d con due elettroni 7 sottolivelli f con due elettroni

Da notare che un l’energia di un sottolivello appartenete ad uno strato n può cadere nella banda energetica che compete allo strato n-1

ELETTRONI DI VALENZA : sono elettroni che appartengono all’ultima orbitale e sono responsabile del legame tra atomi per la formazione di cristalli Gli elettroni di valenza sono quelli più energetici (debolmente legati all’atomo) L’energia che compete ad un elettrone libero è detta energia di conduzione

Spliting degli elettroni Cosa accade se avviciniamo due atomi uguali ? Supponiamo di avvicinare due atomi uguali che per semplicità contenga solo un livello energetico occupato da due elettroni Avvicinamento a qualche Å Per il principio di esclusione di Pauli non possiamo avere 4 elettroni con lo stesso livello di energia Il nuovo sistema costituito da due atomi avrà due livelli di energia prossimi tra loro L'ångström (Å), è un'unità di lunghezza non appartenente al SI corrispondente a 0,1 nm o 1×10-10 m.[1]

Avvicinando un numero N di atomi i livelli energetici più esterni si dividono in N livelli energetici molto vicini tra loro Il fenomeno dello splitting energetico avviene solo per gli elettroni di valenza. Gli elettroni più interni non subiscono lo splitting energetico e rimangono nei loro orbitali atomici Degenerazione di livelli di energia di atomi avvicinati ( 2s2 ) Avvicinamento di due atomi Avvicinamento di alcuni atomi con aumento dei livelli energetici

Avvicinamento di un numero elevatissimo di atomi i livelli energetici sono indistinguibili Nella formazione di un cristallo in cui intervengono molti atomi i livelli energetici che si vengono a formare sono cosi fitti da poterli assimilare ad un continuo (approssimazione) Quindi in un sistema di molti atomi (cristallo solido) possiamo approssimare l’insieme discreto dei livelli energetici ad un continuo detto banda

In figura è rappresentata la degenerazione dei livelli energetici s e p per N atomi nella formazione di un cristallo Il livello s contiene due elettroni e supponiamo che anche p ne contenga 2 E supponiamo che i livelli s e p appartengano all’ ultimo orbitale dell’atomo (atomi del IV gruppo della tabella degli elementi) Avvicinando gli atomi i livelli energetici splittano formando due bande una relativa agli elettroni di livello s ed uno relativo al livello p ognuna contenente 2N elettroni e separati da una banda proibita linea a Al diminuire della distanza interatomica le due bande si sovrappongono (linea b) il che significa che la banda energetica non è più relativa agli atomi ma al cristallo

Diminuendo ancora la distanza interatomica si ha la formazione di due bande distinte (linea c) Una inferiore contenente tutti gli elettroni (2N+2N) detta banda di valenza Una superiore vuota detta banda di conduzione Le due bande sono separate da una banda di energia non permessa detta Banda proibita di ampiezza EG

Energia di Fermi o livello di Fermi EF Isolante Conduttore Semiconduttore Ai fini della conduzione è importante la probabilità trovare elettroni nella banda di conduzione (statistica Fermi Dirac) Energia di Fermi o livello di Fermi EF Energia di Fermi Il livello massimo di energia che un elettrone ha allo zero assoluto 0K Significa che allo zero assoluto un sistema di elettroni sono contenuti nei livelli di energia permessa al disotto del valore del livello di Fermi EF

Alla temperatura di 0 K i semiconduttori si comportano come degli isolanti in quanto tutti gli elettroni sono in banda di valenza All‘aumentare della temperatura ( t. ambiente) gli elettroni possono acquistare energia tale da superare il gap energetico e passare nella banda di conduzione Gli isolanti presentano un gap energetico molto elevato, che non permette agli elettroni di valenza di passare in quella di conduzione.

Isolante elettrico Materiale in cui il passaggio di corrente elettrica è inibito Sono materiali in cui il gap energetico tra la banda di conduzione e quella di valenza è molto elevato Sono caratterizzati da una resistività molto elevata Per definizione la resistività è la resistenza elettrica viene misurata tra le facce di un cubo di spigolo unitario

I materiali isolanti sono utilizzati per isolare elettricamente conduttori Contenitore per circuito integrato

Isolamento dei conduttori sotto tensione Protezione dai contatti accidentali dei conduttori sotto tensione con il corpo umano.

Misura della rigidità dielettrica Questo parametro stabilisce la massima tensione che può essere applicata ad un isolante affinché non venga distrutto Misura della rigidità dielettrica Si sottopone ad un provino di materiale isolante di spessore d una tensione variabile Per un certo valore della tensione applica si ha una scarica elettrica che perfora il provino Si definisce rigidità dielettrica il rapporto tra la tensione che ha provocato la scarica e lo spessore d del provino L’effetto distruttivo è dovuto al campo all’elevato campo elettrico che si viene a creare in grado di strappare gli elettroni al cristallo

Costante dielettrica Indica la capacità di un isolante sottoposto ad un campo elettrico di immaganizzare energia Costante dielettrica riveste un ruolo fondamentale nella scelta di materiale per realizzare un dispositivo elettrico detto condensatore.

Classificazione degli isolanti Isolanti organici Sono costituite da sostanze nella cui struttura chimica sono presenti atomi di carbonio e di idrogeno Isolanti inorganici Sono costituite da sostanze nella cui struttura chimica non sono presenti atomi di carbonio

natura degli isolanti Isolanti organici Carta , legno, materie tessuti naturali, plastiche Isolanti inorganici Ceramica mica

Isolanti inorganici Ceramica Ottima qualità di isolante ed elevato dielettrico, elevata conducibilità termica Usato come dielettrico per realizzare condensatori ceramici

Isolanti inorganici Mica È un minerale complesso costituito da silicati di alluminio ed altri elementi tipo potassio sodio e litio Presenta delle ottime proprietà di isolante Presenta delle buone proprietà chimiche meccaniche e termiche (max temperatura 800°C) Usato come dielettrico per realizzare condensatori Usato per realizzare elementi ti riscaldanti (ferro da stiro)

Usato per realizzare isolamento elettrico tra componenti elettrici e dissipatori di calore Con il termine mica si definisce una serie di minerali allumino-silicati complessi, i cui cristalli tendono a delaminarsi su una superficie, provocandone la tipica strutture a lamelle o scaglie. La mica possiede notevoli proprietà termiche (resistenza ad alta temperatura, ininfiammabilità, bassa conduttività elettrica), elettriche (alta resistività elettrica, attorno ai 25 kV/mm) e chimiche (ottima stabilità nei confronti delle sostanze aggressive, con l’eccezione di acido fluoridrico e solforico concentrato), che la rendono un materiale di largo utilizzo industriale.

Isolanti organici Carta Pur essendo un buon isolante il suo impiego è limitato dal suo elevato grado idroscopico e bassa rigidità dielettrica. Le caratteristiche migliorano se impregnati con resine Utilizzato come isolante in macchine elettriche (motori e trasformatori)

Materiali plastici o resine Isolanti organici Materiali plastici o resine Termoplastiche Termoindurenti Oggetti che volta sagomati (con processi termici) possono essere lavorati infinite volte Oggetti che volta sagomati (con processi termici) diventano rigidi senza alcuna elasticità . Se riscaldati non acquistano plasticità ma carbonizzano) Es. rivestimento cavi elettrici Es. package circuiti integrati

La classe termica indica la massima temperatura di lavoro del materiale isolante IEC :International Electrotechnical Commission organizzazione internazionale per la definizione di standard in materia di elettricità, elettronica e tecnologie correlate.

Resine termoindurenti Su internet ricercare le caratteristiche delle seguenti resine 1) Resine epossidiche 2) dialyl-ftalati 3) Resine fenoliche 4) Resine siliconiche 5) Resine poliestere

Esempio di ricerca sul web Esempio di inglobamento

Resine termoplastiche Su internet ricercare le caratteristiche delle seguenti resine 1) Resine acriliche 2) Polietilene 3) Teflon 4) Cloruro di polivinile PVC 5) Resine poliestere

conduttori elettrici I metalli sono in generale dei buoni conduttori elettrici Nei metalli il gap energetico tra banda di valenza e e quella di conduzione è praticamente inesistente Sono caratterizzati da una resistività elettrica molto bassa La resistività per i metalli è influenzata dalla temperatura La resistività per i metalli è influenzata dalla temperatura

La legge di dipendenza della resistività dalla temperatura è espressa dalla relazione α prende il nome di coefficiente di temperatura α dipende dal materiale e può assumere sia valori positivi che negativi α > 0 se T aumenta  ρ aumenta α < 0 se T aumenta  ρ diminuisce

resistività di alcuni conduttori Materiale Resistività @20°C (Ωcm) Coefficiente di temperatura (°C-1) Rame (Cu) 1,7 •10-6 3,9 •10-3 Alluminio (Al) 2,8 •10-6 4 •10-3 Argento (Ag) 1,6 •10-6 3,8 •10-3 Oro (Au) 2,3 •10-6 3,4 •10-3 Costantana 49 •10-6 8 •10-6 Manganina 45 •10-6 10 •10-6

Conduttori elettrici L’energia elettrica prodotta da un generatore deve essere trasferita in modo efficiente all’utilizzatore Il collegamento fisico tra un generatore elettrico e utilizzatore è realizzato con conduttore elettrico La lunghezza di un collegamento elettrico varia da km a pochi cm

Materiali conduttori Rame : i suo minerali (cuprite e calcoprite)ne contengono circa il 2 % Attraverso un processo di raffinazione per via elettrolitica si ottiene una purezza intorno al 99% rame crudo Per poter essere lavorato necessario purezze del 99,99% che si ottiene con processi metallurgici di fusione in forno ( rame ricotto)

Caratteristiche Ottima conducibilità, buona lavorabilità,buona resistenza alla corrosione, ottima riciclabilità Elevato costo, bassa resistenza meccanica

Alcune leghe di rame impiegate in elettronica Costantana ( 55% Cu 45% Ni) Manganina ( 84% Cu 12%Mn 4% Ni) Rispetto al rame le leghe presentano una resistività più elevata Costantana e Manganina presentano un coefficiente di temperatura molto basso per questa ragione vengono utilizzati nella realizzazione delle resistenze di precisione

Alluminio Rispetto al rame presenta una conducibilità inferiore ma un costo notevolmente inferiore Viene utilizzato nelle linee ad alta tensione 220 330 KV L’ossido di alluminio (Al2O3 Allumina) presente delle ottime caratteristiche isolanti e viene utilizzato come dielettrico nei condensatori elettrolitici

Argento Presenta una resistività inferiore al rame ed un elevata resistenza all’ossidazione Viene utilizzato per realizzare contatti elettrici di interruttori e relais

Oro Presenta una buona conducibilità può essere ridotto in fili sottilissimi Viene utilizzato per realizzare contatti elettrici nei circuiti integrati