Premessa: gli argomenti, trattati in maniera approfondita nel libro di testo, saranno sol accennati
Obiettivo dell'unità: esaminare i materiali utilizzati nelle applicazioni elettriche ed elettroniche e le loro proprietà.
La resistività ρ indica se un materiale è un buon conduttore o un buon isolante e si esprime in [Ωm] (o [Ωmm²/m])1).
La resistività dipende dalla temperatura attraverso il coefficiente di temperatura α, espresso in [°C-1]. Vale la relazione:
`rho_T = rho (1+alpha T)`
dove ρ è la resistività alla temperatura di 20 °C e T la temperatura. La tabella 1 riporta i valori di queste due grandezze per alcuni materiali conduttori; la tabella 2 per alcuni isolanti2).
Una grandezza particolarmente importante riferita agli isolanti è la costante dielettrica ε3). Più spesso si fa riferimento alla costante dielettrica relativa di un materiale definita così:
`epsilon_r = epsilon / epsilon_0 [F/m]`
dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto. Questa grandezza esprime la resistenza offerta da un isolante al campo elettrico (sotto la cui azione l'isolante si polarizza e crea un campo opposto accumulando energia elettrostatica). La tabella 3 mostra i valori della costante dielettrica per alcuni isolanti (più è elevata migliore è l'isolante).
Un'altra grandezza importante per gli isolanti è la rigidità dielettrica Kr espressa in [V/m], che rappresenta il massimo valore di campo elettrico sopportabile da un isolante oltre al quale si ha una scarica distruttiva.
Le grandezze principali del magnetismo sono legate tra loro dalla relazione:
`B = mu H`
dove:
Si può dire che B è l'effetto di H su un materiale di permeabilità μ. La permeabilità esprime dunque la capacità di magnetizzarsi di un materiale. Più spesso si fa riferimento alla permeabilità relativa così definita:
`mu_r = mu/ mu_0`
dove μ0 è la permeabilità del vuoto. In base al valore di μr si distingue tra:
I materiali ferromagnetici sono pochi - ferro, cobalto e nichel sono i principali - e presentano alcuni difetti:
La figura 4 mostra il comportamento non lineare dei materiali ferromagnetici: oltre una certa soglia si ha la saturazione, cioè aumentando il campo magnetico H l'induzione B resta costante 4). La figura 5 mostra invece il fenomeno dell'isteresi: il legame tra B e H, detto caratteristica magnetica, è descritto da tre curve:
Le perdite che si verificano nei materiali ferromagnetici sottoposti a campi variabili nel tempo sono dovute a due diversi fenomeni:
Questi fenomeni sono ineliminabili ma possono essere ridotti scegliendo materiali con un ciclo di isteresi “stretto” e utilizzando il materiale sotto forma di lamierini isolati tra loro (vedi figura 7)6).
I conduttori sono utilizzati per realizzare le parti attive di:
I materiali conduttori più utilizzati sono:
Il rame per uso elettrico è ottenuto con tecniche di raffinazione per ottenere un grado di purezza particolarmente elevato. Quello usato nei terminali dei dispositivi elettronici è spesso stagnato per evitare l'ossidazione che ne aumenterebbe la resistenza.
Tra gli altri metalli vengono usati:
Nei resistori a film si usano anche conduttori non metallici come il carbone e la grafite.
I materiali isolanti impediscono il passaggio della corrente isolando tra loro le parti attive. Nelle applicazioni elettriche ed elettroniche sono indispensabili quanto i conduttori. Presentano una resistività elevatissima - ma non nulla, specie quella superficiale - e una serie di caratteristiche che peggiorano nel tempo per l'invecchiamento del materiale. Questo è dovuto a sollecitazioni:
Il risultato è una progressiva degradazione del materiale, anche in condizioni di normale utilizzo7). La temperatura è un fattore particolarmente importante - una sovratemperatura di soli 5-10°C dimezza la vita di un isolante - per cui gli isolanti vengono classificati in base alla loro classe di isolamento, che indica la temperatura massima che l'isolante può sopportare senza danneggiarsi.
Tra i materiali isolanti ricordiamo:
I materiali magnetici presentano una permeabilità magnetica elevata. Alcuni di questi materiali sono anisotropi, cioè vanno orientati in una certa direzione per avere un comportamento ottimale. Un'altra distinzione si fa tra materiali:
I materiali più utilizzati sono:
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