PROPRIETÀ ELETTRICHEE MATERIALI CONDUTTORI

Ing. Domenico Bufalino

TECNOLOGIE E PROGETTAZIONE DI SISTEMI ELETTRICI ED ELETTRONICI

ISTITUTO TECNICO

INDUSTRIALE STATALE

“G.GALILEI”

Proprietà elettriche

Le proprietà elettriche dei materiali si riferiscono al loro comportamento rispetto ai vari fenomeni elettrici che possono interessarli.

Il principale fenomeno è quello della conduzione della corrente elettrica, ma ci sono anche altri fenomeni che sono di interesse dal punto di vista elettrico (piezoelettricità, termoelettricità, ecc…)

Per i materiali usati nelle costruzioni elettriche ed elettroniche queste proprietà rivestono un’importanza primaria e la loro scelta condiziona il progetto e la costruzione delle apparecchiature.

Richiamiamo prima alcuni concetti di elettrotecnica

Intensità di corrente elettrica Per definizione l'intensità della

corrente elettrica è la quantità di carica ∆Q che attraversa la sezione di un conduttore nell'unità di tempo

I = ∆Q / ∆t Per comprendere meglio il concetto

di intensità di corrente, immaginate di sezionare un conduttore percorso da corrente elettrica; l'intensità di corrente in quel conduttore sarà il rapporto tra la quantità di cariche che passano in un determinato periodo di tempo attraverso quella sezione e il periodo di tempo stesso.

In questo modo ci è anche più facile comprendere la densità di corrente Jdefinita come il rapporto tra l'intensità di corrente e la superficie della sezione che attraversa

J = I / S

electric current

Nel S.I. l’unità di misura della corrente elettrica è l’ampere (A) in onore del francese André-Marie Ampère (1775 - 1836)

Conduzione elettrica

Per conduzione elettrica si intende lo spostamento di cariche elettriche da un punto all’altro di un circuito, all’interno di un mezzo conduttore.

A seconda del tipo di cariche interessate si può avere la conduzione ionica e la conduzione elettronica .

Conduttori e isolanti

Un mezzo è detto: Conduttore se ha una buona attitudine a condurre corrente,

ossia a far circolare corrente senza eccessivo dispendio di energia

Isolante se impedisce il passaggio della corrente elettrica I semiconduttori costituiscono un’altra categoria di sostanze che

hanno un comportamento intermedio tra quello dei conduttori e quello degli isolanti.

Verranno visti meglio in seguito

La legge di Ohm

L’intensità di corrente che passa all’interno di un conduttore è data dalla nota legge di Ohm, I = V / R, dove V è la differenza di potenziale (o tensione) agente sul conduttore ed R è la resistenza elettrica.

La resistenza esprime la proporzionalità tra tensione e corrente per quel conduttore

L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ohm (Ω) in onore del fisico tedesco Georg Ohm (1789 – 1854)

Resistività

Per conduttori in forma di fili o barre, il valore della resistenza R dipende da : la lunghezza l del conduttore ,

all’aumentare della quale aumenta il valore di R

la sezione trasversale S del conduttore , all’aumentare della quale diminuisce il valore di R

il tipo di materiale costituente il conduttore La dipendenza dal materiale viene indicata

analiticamente introducendo la resistività elettrica , definibile come la resistenza elettrica presentata da un conduttore di lunghezza e sezione unitarie, indicata con il simbolo ρ.

Seconda legge di Ohm

Resistività

Dalla si ricavache permette di definire l’unità di misura della resistività, la quale dipende da come vengono espresse S ed l.

Le due unità di misura più usate sono: Ω mm2/m se si esprime S in millimetri quadrati ed l in metri Ω m (unità S.I.) se si esprime S in metri quadrati ed l in metri

Tra le due unità esiste la seguente relazione:1 Ω mm2/m = 10-6 Ω m = 1 µΩ m

Essendo ρ direttamente proporzionale ad R, vale la regola che i materiali sono tanto più conduttori quanto minore è il valore della loro resistività elettrica.

Elementi da cui dipende la resistività

La struttura interna del materiale : i metalli hanno bassa resistività per l’elevato numero di elettroni liberi o semiliberi presenti nella struttura cristallina

La presenza di impurità , che fa aumentare la resistività dei metalli deformando il reticolo cristallino e favorendo la dispersione degli elettroni di conduzione (le leghe hanno resistività maggiori dei loro costituenti)

Le deformazioni meccaniche di trazione e compressione o le tensioni interne prodotte da lavorazioni (trafilatura, ecc…) in quanto deformano il reticolo cristallino

L’aumento di temperatura che fa aumentare la resistività in quanto l’agitazione termica con le vibrazioni da essa provocata interferisce con il movimento degli elettroni di conduzione (nei semiconduttori si può verificare l’opposto)

In alcuni materiali può influire anche la tensione elettrica e la presenza di campi magnetici .

Valori di resistività Resistività elettrica a temperatura ambiente (20 °C)

Conduttività elettrica

La conduttività (o conducibilità ) elettrica indica l’attitudine del materiale a condurre corrente elettrica ed è legato alla conduttanza elettrica GGGG = 1/= 1/= 1/= 1/RRRR dalla relazione: γγγγ = = = = GlGlGlGl / / / / SSSS

Si ricava facilmente la formula: γγγγ = 1/= 1/= 1/= 1/ρρρρ

La conduttanza è il reciproco della resistività I buoni conduttori, avendo bassi valori di ρ devono avere elevati valori di

γ e viceversa. Le due unità di misura più usate sono S·m/mm2 e S/m (unità S.I.) dove

S è il simbolo del siemens che è l’unità di misura della conduttanza. Tra le due unità esiste la seguente relazione:

1 S m/mm2 = 106 S/m = 1 MS/m

Il modello delle bande di energia

La teoria delle bande di energia spiega le differenze nella conduttività dei materiali Quando l’atomo è vicino ad altri atomi,

come accade nel caso dei solidi cristallini, i diversi atomi interagiscono e i singoli livelli di energia degli elettroni si ramificano, formando più livelli con energia leggermente diversa.

Ciò comporta che, quando più atomi si trovano vicini, al posto del singolo livelloenergetico subentra una gamma di valori ammessi che prende il nome di banda di energia.

Nella figura in alto: in ascissa si ha la distanza tra gli atomi e in ordinata l’energia dei livelli.

Le bande di energiaPag. 115

Tra le bande di energia più esterne, quella con minore energia prende il nome di banda di valenza (è l’ultima banda riempita di elettroni: a 0 K non ci sono elettroni al di sopra del livello energetico definito livello di Fermi)

Viene chiamata banda di conduzione la prima banda lasciata vuota. I valori di energia tra le due bande costituiscono la zona o banda

proibita , la cui ampiezza è detta gap energetico

Le bande di energia

Quando un elettrone si trova nella banda di valenza, avendo meno energia, rimane vincolato all’atomo e questo lo utilizza per realizzare legami covalenti con altri atomi

Quando si trova nella banda di conduzione non è più vincolato all’atomo ed è libero di muoversi e dar luogo a corrente elettrica

Bande di energia nei metalli

Nei metalli la banda di valenza (valence band) e quella di conduzione (conduction band) sono sovrapposte parzialmente

Questo spiega la conducibilità elettrica dei metalli: basta la presenza di un campo elettrico esterno per far eccitare gli elettroni, portarli nella banda di conduzione e farli muovere.

Bande di energia negli isolanti

Negli isolanti la banda proibita o interdetta (band gap o forbiddenband) è molto ampia e non è possibile in alcun modo il passaggio di elettroni ai livelli energetici più elevati. Questo spiega la difficoltà di questi materiali a condurre la corrente elettrica

Bande di energia nei semiconduttori

Nei semiconduttori il gap tra le bande di valenza e di conduzione è molto piccolo (circa 1 eV) e per via dell’agitazione termica anche a temperatura ambiente è possibile il salto di alcuni elettroni in banda di conduzione: il materiale è debolmente conduttore.

A basse temperature il salto energetico non è possibile ed il semiconduttore si comporta come un isolante

Campi di resistività e conduttività

di alcuni materiali

Variazione della resistività con la

temperatura

Sperimentalmente si verifica che la resistività (e quindi anche la resistenza di un materiale) varia con la temperatura

La variazione dipende da un fattore α legato al tipo di materiale, detto coefficiente di temperatura della resistività .

Se ρ1 è la resistività elettrica alla temperatura θ1 si può ricavare la resistività ρ2 alla temperatura θ2 utilizzando la seguente formula approssimata:

ρ2 = ρ1 ·[1 + α ·(θ2 - θ1)] Il coefficiente di temperatura dipende a sua volta dalla temperatura

(nella formula è riferito alla temperatura θ1) e la sua unità di misura è l’inverso del grado centigrado [°C-1].

Una formula un po’ più precisa (Equazione di Callender): ρ2 = ρ1 ·[1 + α ·(θ2 - θ1) + β ·(θ2 - θ1)2+ …]

Variazione della resistività con la

temperatura Possono verificarsi tre casi:

il coefficiente α è positivo: all’aumentare della temperatura la resistività aumenta; questo succede praticamente in tutti i metalli ; il fenomeno è particolarmente accentuato utilizzando ossidi di titanio e di bario , opportunamente trattati (impiegati nei resistori PTC – Positive Temperature Coefficient )

il coefficiente è nullo o trascurabile: al variare della temperatura la resistività rimane pressoché costante; il fenomeno si verifica per leghe come costantana , manganina e argentana (utilizzate per costruire resistori campione da laboratorio)

il coefficiente è negativo: all’aumentare della temperatura la resistività diminuisce; questo succede generalmente nei semiconduttori non drogati (per i quali l’andamento è non lineare); il fenomeno è particolarmente accentuato utilizzando ossidi di cromo, manganese, cobalto e nichel (impiegati nei resistori NTC – Negative Temperature Coefficient )

Un’altra formula di uso pratico

Conoscendo la resistività ρ1 o la resistenza R1 di un conduttore ad una temperatura nota θ1 esiste un’altra formula di uso pratico per calcolarne la resistività ρ2 o la resistenza R2 ad una temperatura differente θ2:

=

oppure =

dove K vale 234,5 per il rame e 232,5 per l’alluminio ed è l’inverso del coefficiente di temperatura a 0 °C

I valori della resistività, della conduttività e del coefficiente di temperatura si trovano tabulati per i vari materiali generalmente alla temperatura di riferimento di 0 °C oppure di 20 °C

Nella successiva tabella la temperatura di riferimento è 20 °C

Caratteristiche elettriche di alcuni

materiali conduttori

Effetto Joule

Il flusso degli elettroni di conduzione attraverso una materiale conduttore è ostacolato dall’interazione con gli atomi del reticolo cristallino, per cui la circolazione della corrente comporta sempre un dispendio di energia; tale energia si trasforma in calore e determina il riscaldamento del conduttore .

La potenza dissipata per effetto Joule è data da: PPPPJJJJ = = = = RIRIRIRI2222

Ponendo R = R = R = R = ρρρρl/Sl/Sl/Sl/S e introducendo la densità di corrente J=I/SJ=I/SJ=I/SJ=I/S si ricava facilmente PPPPJJJJ = = = = ρρρρJJJJ2222lS = lS = lS = lS = ρρρρJJJJ2222VVVV

Da qui si vede che la potenza persa aumenta con le dimensioni geometriche del conduttore, con la resistività del materiale di cui è costituito e con il quadrato della densità di corrente , il cui valore va opportunamente limitato (per esempio da 2 a 10 A/mm 2 nel caso dei cavi elettrici) per evitare eccessivi valori della potenza persa.

Il termine PPPPJVJVJVJV ==== PPPPJJJJ ////VVVV= = = = ρρρρJJJJ2222 rappresenta la potenza persa per unità di volume.

Effetto piezoelettrico

L’effetto piezoelettrico è la capacità che hanno alcuni materiali di fornire una differenza di potenziale quando sollecitati meccanicamente (effetto piezoelettrico diretto ) o di deformarsi se sottoposti a un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso ).

E’ stato scoperto nel 1880 dai coniugi Curie e riguarda in particolare alcuni cristalli ceramici come il titanato di bario (BaTiO3) o i molto diffusi PZLT.

Effetto piezoelettrico

Data l’asimmetricità del cristallo, quando viene applicata una pressione (o decompressione) esterna, nella struttura cristallina si generano dei dipoli elettrici, e quindi si posizionano, sulle facce opposte, cariche di segno opposto (come se il cristallo fosse un condensatore carico).

Se le due facce vengono collegate tramite un circuito esterno, viene quindi generata una corrente elettrica detta corrente piezoelettrica .

Al contrario, quando si applica una differenza di potenziale al cristallo, esso si espande o si contrae.

Effetto piezoelettrico Tra i materiali che sono piezoelettrici già allo stato

naturale, il più importante è il quarzo (SiO2). Invece le ceramiche piezoelettriche, come il titanato di bario o

lo zirconato-titanato di piombo (PZT) devono essere artificialmente polarizzate per mezzo di un intenso campo elettrico esterno.

I materiali piezoelettrici vengono utilizzati nella costruzione di trasduttori ed in particolare: estensimetri sensori di vibrazione o di posizione microfoni

estensimetro

piezoelettrico

sensore di

vibrazione

sensore

di forzaprincipio di funzionamento

del microfono piezoelettrico

Effetti termoelettrici

Sono detti effetti termoelettrici tutti quei fenomeni che permettono di convertire il calore direttamente in energia elettrica.

Si tratta di numerosi fenomeni, elencati di seguito: Effetto Seebeck Effetto Thomson Effetto Edison

Effetto Seebeck

Thomas Johann Seebeck, nel 1821, notò che in una spira costituita da due materiali diversi, con le giunzioni tenute a differenti temperature, circolava una corrente elettrica.

Il fenomeno (effetto Seebeck ) sta alla base del funzionamento dei trasduttori di temperatura noti col nome di termocoppie.

Il rapporto ΔV/Δθ tra la la variazione di tensione prodotta nell’anello e la corrispondente differenza di temperatura prende il nome di potere termoelettrico . Per la coppia rame-costantana vale 45 µV/°C

Termocoppie

E’ necessario un sistema di riferimento che metta a disposizione un “serbatoio di calore” a temperatura T2 conosciuta e fissa!

V ≈ (a+2bT2)∆T Se non conosco T2 non posso

conoscere ∆T e quindi T1.

( ) ( )

( ) 22

22

221

2221

21

2121

22

2121

2

2

)2()(

)(

)(

))((

TbTTbaV

TTbTbTaV

TTbTTTbTaV

TTTTTbTaV

TTTbTaV

TTTTbTaV

TTbTTaV

∆+∆+=

∆+∆+∆=

∆+−∆+∆=

++−∆+∆=

+∆+∆=

+−+∆=

−⋅+−⋅=

Effetto Peltier

L'effetto Peltier fu scoperto da Jean Peltier nel 1834.

Il passaggio di corrente attraverso un giunto tra due conduttori diversi provoca nel giunto un aumento o diminuzione di temperatura a seconda del verso della corrente.

I materiali nei quali l’effetto Peltiersi manifesta meglio sono i semiconduttori, dove il fenomeno viene sfruttato nelle celle Peltier, che funzionano come pompe di calore

Generatori Peltier

L’effetto è reversibile per cui è possibile realizzare generatori Peltier a semiconduttori

Effetto Thomson

L'effetto Thomson fu scoperto nel 1854 da Sir William Thomson -più conosciuto come Lord Kelvin - e consiste nella diffusione degli elettroni che avviene in un materiale sottoposto ad una temperatura non uniforme.

Tra due punti di un medesimo conduttore mantenuti a differenti temperature si stabilisce una fem

Il rapporto ΔV/Δθ è detto coefficiente di Thomson e può essere positivo (pot. maggiore nel punto più caldo) o negativo (pot. Maggiore nel punto più freddo). Per il rame vale +1,4 µV/°C, per il ferro -6 µV/°C.

Effetto Edison

L’effetto Edison , scoperto da Thomas Alva Edison , è il fenomeno per il quale la superficie di un corpo metallico portato ad elevata temperaturain un ambiente molto rarefatto, emette cariche elettriche, ioni o elettroni (effetto termoionico )

Veniva sfruttato nelle valvole termoioniche nei vecchi apparati radio, sostituite in seguito dai dispositivi a semiconduttore. E’ ancora utilizzato nei tubi a raggi catodici.

I materiali conduttori

I conduttori sono materiali che offrono poca resistenza al passaggio della corrente elettrica: sono utilizzati per la costruzione delle parti attive di apparecchiature elettroniche, elettriche ed elettromeccaniche: cavi che trasportano l’energia elettrica; avvolgimenti delle macchine elettriche; elementi resistivi dei resistori; fili che collegano tra loro i componenti di un circuito; piste di un circuito stampato

In commercio esistono svariati tipi di conduttori, alcuni dei quali sono presentati di seguito.

Rame Il rame è un metallo con struttura cristallina cubica a facce centrate

(simbolo Cu), caratterizzato da: Ottima conduttività (tipicamente ρ = 0,0175 Ω mm2/m a 20°C), con

comportamento termico di tipo PTC Scarsa resistenza meccanica (basso carico di rottura ed elevato

scorrimento plastico) Costo piuttosto elevato Buona resistenza alla corrosione (unico nemico lo zolfo)

Minerale di rame Per il costo elevato il rame

è spesso oggetto di furtiCavi elettrici

Rame Viene venduto, per applicazioni elettriche, in due forme fisiche:

Rame CRUDO, cioè deformato plasticamente a freddo per trafilatura, che si distingue per la maggiore resistenza meccanica (si usa nelle linee aeree)

Rame RICOTTO, sottoposto al trattamento termico, che si distingue per una maggiore flessibilità (si usa nei cavi)

ciclo produttivo del rame

La percentuale IACS

A livello industriale la conduttività elettrica del rame e delle sue leghe è indicata come valore percentuale % IACS

Si tratta della misura relativa della conducibilità elettrica rispetto ad uno standard (International Annealed Copper Standard ).

Lo standard stabilito dalla IEC nel 1913 è un filo di rame di densità 8,89 g/cm3, lunghezza 1 metro, peso 1 grammo, resistenza 0,15328 Ohm e temperatura di 20°C.

100% IACS corrisponde ad una conduttività di 58,0001 MS/m, cioè ad una resistività di 0,017241 Ω mm2/m

Più il valore è alto maggiore è la conducibilità. Oggi, i miglioramenti nelle tecniche di raffinamento metallico hanno

aumentato la conduttività del rame commercialmente puro (anche 103% IACS) rispetto allo standard.

Leghe di rame

Leghe rame-argento (Ag 0,02-0,12%), aventi buona conducibilità elettrica (95 -99% IACS) e maggiore resistenza allo scorrimento a caldo rispetto al rame puro; vengono usate per le parti conduttrici di macchine elettriche funzionanti a elevata temperatura

Leghe rame cadmio (Cd 0,7-1,3%), con discreta conducibilità elettrica (75-90% IACS), maggiore resistenza allo scorrimento a caldo e maggiore resistenza a trazione (+30%) rispetto al rame puro, notevole resistenza all’usura per abrasione e per scariche elettriche; impiegate nel campo della trazione elettrica per i conduttori delle linee di contatto

Leghe rame-cadmio-stagno (Cd 0,5-1%; Sn 0,2-0,6%), simili alle precedenti ma con maggiore carico unitario di rottura e minore conducibilità elettrica (60-75% IACS)

Leghe per resistori di precisione (costantana con Ni 40%, manganina con Mn 12% e Ni 3%, argentana con Ni 15% e Zn 25%) caratterizzate dal coefficiente di temperatura quasi nullo

Alluminio L’alluminio , è un metallo con

struttura cristallina cubica a facce centrate. Simbolo Al, con le seguenti caratteristiche: resistività più elevata del rame

(valore tipico 0,028 Ω mm2/m a 20°C)

buon peso volumico (circa 1/3 del rame); a parità di resistenza elettrica, il peso di un conduttore di rame è superiore a quello di un conduttore di alluminio, ma la sezione è minore.

scarsissima resistenza meccanica, ma si lascia ridurre facilmente in lamine sottili essendo malleabile

buona resistenza alla corrosione

costo molto più basso rispetto al rame

presenta una conducibilità termica inferiore a quella del rame

non è facilmente saldabile

bauxite

Alluminio A causa delle sue

caratteristiche viene utilizzato di solito per linee aeree in alta tensione (132, 220, 380 kV) ma deve essere rinforzato per aumentare la resistenza alla trazione.

Così viene trafilato in corde dotate di anima in fili di acciaio.

Altri impieghi: armature per condensatori elettrolitici, contenitori e casse per condensatori di rifasamento, dissipatori di calore, di carcasse di piccole macchine elettriche rotanti

Alluminio La produzione dell’alluminio è divisa in due fasi, una fase chimica di

estrazione dalla allumina dalla bauxite ed una fase elettrochimica. Quattro tonnellate di bauxite producono due tonnellate di allumina

da cui si ricava una tonnellata di alluminio. Si producono anche due tonnellate di residui di scarto detti fanghi rossi.

Leghe di alluminio

In moti casi, a causa delle non buone caratteristiche meccaniche, viene utilizzato sotto forma di leghe (ardival, aldrey, almelec)

Le leghe si ottengono aggiungendo altri elementi chimici in piccole percentuali all’alluminio, a fine di migliorarne la resistenza meccanica. Ciò però provoca un aumento della resistività.

Fra le leghe di Al ricordiamo in particolare l’aldrey , che è una lega di Al (dal 97 al 98,5%) con piccole percentuali di Silicio (Si), Magnesio (Mg) e Ferro (Fe). Questa lega è caratterizzata da una discreta conducibilità (tipicamente ρ = 0,0325 Ω mm2/m a 20°C) buona leggerezza buona resistenza alla corrosione resistenza meccanica pari al rame

Leghe di alluminio

I conduttori in Aldrey sono costituiti da fili di piccola sezione cordati fra loro in numero variabile a seconda della sezione voluta e vengono usati per linee elettriche aeree.

Sono usati per distribuzione primaria e secondaria

Confronto tra conduttori

Due conduttori hanno la stessa resistenza se è soddisfatta l’equazione

=

.

Nel caso in cui abbiano la stessa lunghezza si può ricavare una relazione tra le sezioni.

Allo stesso modo è possibile confrontare i diametri, il peso ed il carico di rottura per quelle sezioni.

Confronto Cu-Al Confronto Cu-Aldrey

Sezione SAl = 1,6 SCu Sad = 1,8 SCu

Diametro DAl = 1,263 Dcu Dad = 1,342 Dcu

Peso GAl = 0,5 GCu Gad = 0,55 GCu

Carico di rottura FAl = 0,72 FCu Fad = 1,35 FCu

Materiali per contatti elettrici

I contatti elettrici sono presenti in tutti i tipi di interruttori e nei contatti striscianti (spazzole dei motori, linee ferroviarie e tranviarie).

In questi casi non è tanto la resistività del materiale con cui è fatto il contatto ad importare, quanto più altri parametri: Elevata resistenza all’ossidazione – l’ossido infatti fa crescere il valore della

resistenza di contatto Elevata durezza dei materiali di contatto – per ridurre al massimo l’usura delle parti

striscianti o la deformazione dei contatti a causa delle forze in gioco Bassa resistenza di contatto – in quanto la corrente passa solo nei punti di effettivo

contatto fra le parti. Alta conduttività termica – poiché nelle parti soggette a contatto o a strisciamento si

genera per attrito o per arco una grande quantità di calore Elevata resistenza all’arco elettrico Elevata temperatura di fusione – le parti che compongono il contatto devono poter

reggere temperature di esercizio elevate, senza generare incollamenti fra i contatti o, peggio, la loro fusione.

Materiali per contatti elettrici

I materiali più utilizzati nei contatti elettrici sono: Oro argento e platino (detti metalli nobili), chimicamente poco reattivi, duri,

con elevato punto di fusione e bassissimo valore di resistività. Leghe di metalli nobili (oro-nichel, platino-iridio, argento-rame), che

migliorano la durezza a scapito della resistività e riducono i costi. Miscugli di metalli e non metalli ottenuti per sinterizzazione (processo che

aggrega sostanze eterogenee in modo da ottenere manufatti di forma desiderata) caratterizzati da buona durezza, elevato punto di fusione e scarsa tendenza agli incollaggi grazie alla capacità di auto-lubrificazione del materiale (ad es. la mescola Ag+grafite)

Tungsteno (W), usato per contatti caratterizzati da frequenti archi, come ad esempio negli elettrodi delle candele per motori a scoppio.

Grafite (C), utilizzata nelle spazzole (contatti striscianti) dei motori elettrici a collettore. Ha scarsa durezza (non rovina il collettore) e un buon valore di resistività. Ovviamente si usura con facilità; per questo le spazzole vengono periodicamente sostituite.

Materiali per resistori da

riscaldamento Hanno il compito di produrre calore per effetto Joule, sfruttando il

passaggio della corrente elettrica, e trovano applicazione in tutti i casi di utilizzazione del riscaldamento elettrico (forni, stufe, elettrodomestici, ecc…)

La resistività deve essere abbastanza elevata (1-1,5 Ω mm2/m) in modo da avere una resistenza elettrica corrispondente a quella richiesta dalla potenza dissipata dal resistore (R = V2/P)

La temperatura di fusione deve essere elevata (l’elemento scaldante può raggiungere anche temperature superiori a 1000 °C)

Devono avere buona resistenza all’ossidazione e alle sostanze chimiche aggressive presenti nell’ambiente, anche tenendo conto che i processi di corrosione sono favoriti dalla temperatura elevata

Devono avere buona lavorabilità e trafilabilità , per poter avere gli elementi resistivi sotto forma di fili, strisce, barre.

Materiali per resistori da

riscaldamento Vengono usati materiali sinterizzati e leghe di fusione:

Leghe Nichel-Cromo , molto usate (arrivano fino a 1250 °C)

Leghe Nichel-Ferro-Cromo , meno costose ma meno resistenti all’ossidazione (arrivano fino a 1100 °C)

Leghe Ferro-Cromo-Alluminio , con maggiore resistenza all’ossidazione alle alte temperature ma meno lavorabili e più fragili (arrivano fino a 1350 °C)

Materiali sinterizzati , come il siliciuro di molibdeno con additivi metallici e ceramici, tutti con ottima resistenza all’ossidazione ad alta temperatura ed elevate temperature di lavoro (1600-1800 °C)

Per applicazioni particolari possono essere utilizzati anche platino, tungsteno, molibdeno o tantalio

Altri materiali conduttori

Esistono altri materiali conduttori per applicazioni particolari. Il mercurio , essendo l’unico metallo liquido a temperatura e

pressioni ambiente, viene usato per la costruzione di contatti mobili quando vengono sfruttate le proprietà del liquido conduttore all’interno di una ampolla di vetro. Viene anche usato per le lampade a vapore di mercurio

Il piombo viene usato per le piastre degli accumulatori e, per la sua resistenza alla corrosione, come rivestimento protettivo di alcuni tipi di cavi per media tensione

Il tungsteno per la sua elevata temperatura di fusione e per la sua resistenza meccanica anche ad alta temperatura viene utilizzato per i filamenti delle lampade ad incandescenza e nella costruzione di contatti elettrici.

Test di verifica

Per un materiale con coefficiente di temperatura della resistività positivo, come varia la sua resistività all’aumentare della temperatura? a) diminuisce; b) aumenta; c) rimane costante

Che cosa indica la percentuale IACS? a) il valore della conduttività dell’alluminio rispetto a quello dell’alluminio campione; b) il valore della conduttività del rame rispetto a quello del rame campione; c) il valore della conduttività del rame ricotto rispetto a quello del rame campione: d) il valore della conduttività del rame crudo rispetto a quello del rame campione.

Quanto vale la sezione di un conduttore in allluminio rispetto a uno in rame da 10 mm2, a parità di lunghezza e resistenza elettrica? a) 6 mm2; b) 16 mm2; c) 25 mm2; d) 40 mm2

Quanto vale, in percentuale, il peso di un conduttore in alluminio rispetto a uno in rame, a parità di lunghezza e di resistenza elettrica? a) 50%; b) 75%; c) 100%; d) 125%

Test di verifica

Spiegare quali sono i principali effetti termoelettrici? Spiegare quale requisito devono possedere i materiali da utilizzare per la

costruzione di conduttori elettrici (linee aeree, cavi, avvolgimenti) Spiegare che cosa si intende per effetto piezoelettrico diretto Quali sono le differenze di caratteristiche, elettriche e meccaniche, tra il rame

ricotto e quello incrudito? Che relazione lega la potenza persa per effetto Joule e la densità di corrente in

un conduttore? Quali sono le differenze di caratteristiche, elettriche e meccaniche, tra l’alluminio

ricotto e quello incrudito? Ricavare e commentare la formula per il calcolo della resistività a una certa

temperatura partendo dal suo valore a 20 °C. Quali sono le principali caratteristiche che devono avere i materiali usati per i

contatti elettrici? Quali sono i materiali più usati? Che relazione esiste tra la resistività e la conduttività elettrica? Spiegare da quali fattori dipende la resistività elettrica di un materiale.