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 K_r 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:

• B è il vettore induzione magnetica, espresso in Tesla (simbolo [T]), responsabile degli effetti magnetici
• H è il vettore campo magnetico, espresso in [A/m]
• μ è la permeabilità magnetica del materiale dove sono presenti le due grandezze vettoriali, espressa in [H/m]

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 μ_r si distingue tra:

• materiali paramagentici e diamagnetici, che hanno un valore di permeabilità prossimo a quella del vuoto e che non esibiscono fenomeni magnetici
• materiali ferromagnetici, con μ_r > 1000, sfruttati nei fenomeni magnetici (vedi tabella 5)

I materiali ferromagnetici sono pochi - ferro, cobalto e nichel sono i principali - e presentano alcuni difetti:

• la loro permeabilità non è costante
• presentano il fenomeno dell'isteresi
• sono sede di perdite, cioè potenza dissipata in calore, se il campo magnetico cambia nel tempo

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:

• una per il materiale completamente smagnetizzato, che parte dall'origine (prima magnetizzazione)
• una per H crescente
• una per H decrescente⁵⁾

Le perdite che si verificano nei materiali ferromagnetici sottoposti a campi variabili nel tempo sono dovute a due diversi fenomeni:

• perdite per isteresi, proporzionali all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale
• perdite per correnti parassite, dovute alla circolazione di correnti indotte dalle variazioni di campo magnetico nel materiale

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:

• impianti, per il trasporto dell'energia elettrica
• apparecchi elettrici, per collegamenti, avvolgimenti e resistori
• apparecchi elettronici, per realizzare piste, collegamenti tra componenti

I materiali conduttori più utilizzati sono:

• l'allumnio
  • nel trasporto dell'energia per il suo basso peso
  • nella gabbia dei motori asincroni
  • nei condensatori
• il rame, per tutto il resto, per:
  • la bassa resistività
  • il basso costo
  • la facilità di lavorazione e saldabilità

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:

• l'argento per ricoprire i contatti di interruttori/relé e in alcuni circuiti integrati
• l'oro per ricoprire contatti perché resistente alla corrosione
• lo stagno, il palladio, il nichel-cromo nei resistori a film
• il tungsteno nei filamenti delle lampadine
• il tantalio per i condensatori elettrolitici

Nei resistori a film si usano anche il carbone e la grafite.

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