Nel mondo di oggi, Conduttività elettrica è diventato un argomento di grande rilevanza e interesse per molte persone in diversi campi. Che sia per il suo impatto sulla società, per le sue implicazioni nella vita quotidiana o per il suo significato nella storia, Conduttività elettrica è un argomento che merita di essere analizzato e discusso in modo approfondito. Dalle sue origini fino al suo impatto oggi, Conduttività elettrica ha suscitato l'interesse di accademici, esperti e pubblico in generale, motivo per cui è essenziale esplorarne le diverse sfaccettature e dimensioni. In questo articolo approfondiremo l'entusiasmante mondo di Conduttività elettrica, per conoscerne in dettaglio caratteristiche, sfide e opportunità, con l'obiettivo di ampliare la nostra conoscenza e comprensione di questo affascinante argomento.
La conduttività elettrica, o conducibilità elettrica, indicata con , è la conduttanza elettrica specifica di un conduttore.
Definita da Stephen Gray nel 1731, il suo strumento di misura è il conducimetro. L'unità di misura del sistema internazionale è siemens su metro (S/m).
In presenza di un conduttore immerso in un campo elettrico uniforme in una direzione, come solitamente all'interno di un resistore, il potenziale in quella direzione è lineare:
dove:
L’unità di misura è il S/metro. L'inverso della conduttività elettrica viene definito resistività: .
Se la conduttività è costante, cioè non dipende dal valore della densità di corrente, il conduttore segue semplicemente la legge di Ohm e viene detto “ideale” o “ohmico”. Per i corpi anisotropi, come certi cristalli, la corrente generata da un campo elettrico non è parallela alla direzione del campo (non vale la legge di Ohm); in questi casi si può definire una matrice di conduttività tra la densità di corrente ed il campo elettrico:[1]
In ogni caso la matrice di conduttività è simmetrica: .
I conduttori, come i metalli, hanno alta conduttività, mentre gli isolanti, come il vetro, e il vuoto hanno bassa conduttività. In un semiconduttore la conduttività risente di condizioni esterne come variazioni, anche piccole, di temperatura ed esposizione a campi elettrici o a radiazioni elettromagnetiche di determinate frequenze; in questo caso la seconda equazione non è più valida, mentre lo rimane la prima.
I metalli in genere sono conduttori ohmici: la conduttività è costante al variare della densità di corrente che scorre nel metallo. La conduttività nei metalli varia invece molto in funzione della temperatura: un aumento di questa porta a una diminuzione della conducibilità perché i portatori di carica (gli elettroni) risentono di una diminuzione della mobilità a causa dell'aumento di vibrazioni reticolari all'interno del materiale. Quello che ha la più alta conducibilità è l'argento. il modello di Drude descrive la dipendenza della conduttività del metallo da parametri microscopici del reticolo metallico:[2]
dove:
La principale dipendenza della conduttività dalla temperatura secondo questo modello è riconducibile al parametro τ, che è approssimabile con il rapporto tra la distanza interatomica e la velocità termica della particella:
Tuttavia l'andamento osservato sperimentalmente è diverso perché nei metalli reali sono sempre presenti delle imperfezioni del reticolo che ne discostano il comportamento da quello ideale (perfettamente regolare) e inoltre non tutti gli elettroni contribuiscono alla circolazione di carica elettrica:
dove:
Per ricavare un modello più preciso è necessario tener conto anche delle ipotesi della meccanica quantistica relativamente agli stati nel quale possono trovarsi gli elettroni e della meccanica statistica per quanto riguarda le distribuzioni energetiche delle particelle, come nel cosiddetto modello di Sommerfeld. Secondo il quale:
dove:
In elettrotecnica si usa talvolta per comodità la conduttività relativa, prendendo come riferimento il rame (il conduttore standard):
Quindi vale la relazione di conversione:
La conduttività relativa è un numero puro, che indica il rapporto rispetto alla conducibilità di riferimento (quella del rame).
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