Conduttori e isolanti: cosa sono e perché sono importanti? (con grafico)

Per capire i circuiti elettrici e come gli esseri umani possono alimentare qualsiasi cosa, dalle luci nelle loro case ai treni elettrici (e, sempre più nel tempo auto elettriche) che le portano a lavorare, bisogna prima capire cos'è la corrente elettrica e cosa permette alla corrente di flusso.

La corrente elettrica è il risultato del movimento di elettroni, che sono particelle subatomiche quasi prive di massa che trasportano una carica negativa molto, molto piccola. Quando si sente parlare di "succo" (come viene spesso chiamata l'elettricità) "che scorre" attraverso i cavi di alimentazione o il televisore, questo si riferisce al flusso di elettroni attraverso i fili di un circuito. I fili metallici sono scelti specificamente per trasportare l'elettricità perché hanno un livello relativamente bassoresistenza elettrica​.

Gli elettroni sono in grado di fungere da mezzo per le correnti perché, un po' come le comete che orbitano attorno al sole a grandi distanze, esistono al di fuori del nucleo atomico dove protoni e neutroni "vivono" e sono considerevolmente meno massicci di entrambe le particelle nucleari (e protoni e neutroni sono terribilmente leggeri di per sé giusto).

Gli atomi dei diversi elementi differiscono per massa, numero di particelle e altri modi inerenti, e l'unicità la configurazione di ciascun atomo determina se è un buon conduttore, un cattivo conduttore (cioè un isolante) o qualcosa del genere nel mezzo.

Corrente elettrica (rappresentata daioe misurato inampereo A) è il flusso dicarica elettrica(denotato daqe misurato incoulombo C) sotto forma di elettroni attraverso un mezzo conduttore, come un filo di rame. Gli elettroni si muovono per l'influenza di andifferenza di potenziale elettrico (tensione)tra i punti lungo il filo, sperimentandoresistenza(rappresentato daRe misurato inohmo ).

• Tutta questa fisica è catturata ordinatamente daLegge di Ohm​:

Per convenzione, una carica positiva posta vicino a un terminale o una carica positiva ha un potenziale elettrico più elevato di quanto non abbia in punti più lontani, tutto il resto lo stesso. La tensione ha unità di joule per coulomb, o J/C, che è energia per carica. Questo ha senso, perché l'effetto della tensione sulle cariche è simile all'effetto della gravità sulle masse.

Mentre qualsiasi punto può essere scelto come punto di energia potenziale gravitazionale o di tensione zero, una data massa perde sempre gravitazionale energia potenziale quando si avvicina al centro della Terra, e una carica positiva perde sempre energia potenziale elettrica (che può essere scrittoqE) man mano che si allontana dalla carica positiva sorgente.

Dato quello che ti è stato presentato, potresti aver già capito che gli elettroni fluiscono nella direzione opposta di cariche positive, e che quindi perdono potenziale elettrico nel corso del loro flusso come elementi di corrente.

Questo è analogo a un pianoforte che cade dal cielo e perde energia potenziale gravitazionale mentre si avvicina alla Terra (energia che si conserva sotto forma di energia cinetica crescente) e perdite di energia per attrito (calore) dovute all'aria resistenza.

Mentre immagini la corrente che aumenta in un filo, immagina che anche il numero di elettroni che passano in un dato punto aumenti, con lo stesso che si applica alla diminuzione della corrente.

• La carica su un singolo elettrone è -1.60 × 10^-19 C, mentre quello su un protone è +1,60 × 10^-19 c. Ciò significa che ci vuole (1/1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintilioni) di protoni solo per ottenere 1,0 C di carica.

La facilità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale dipende da quel materialeconducibilità. La conducibilità, solitamente indicata con σ (la lettera greca sigma), è una proprietà della materia che dipende da alcune caratteristiche intrinseche di quella materia, alcune delle quali sono state precedentemente accennate.

La cosa più importante è il concetto dielettroni liberi, ovvero elettroni appartenenti ad un atomo che sono in grado di "vagare" liberamente lontano dal nucleo. (Tieni presente che "lontano" in termini atomici significa ancora una distanza incredibilmente breve per gli standard normali.) Gli elettroni più esterni in ogni atomo sono chiamatielettroni di valenza, e quando capita che ce ne sia uno solo, come nel rame, si stabilisce la situazione ideale per la "libertà" degli elettroni.

Buoni conduttori di elettricità consentono alla corrente di fluire praticamente senza impedimenti, mentre dall'altra parte dello spettro, buoni isolanti resistono a questo flusso. La maggior parte dei materiali non metallici di uso quotidiano sono buoni isolanti; se non lo fossero, sperimenteresti continuamente scosse elettriche dopo aver toccato oggetti comuni.

La buona condotta di un particolare materiale dipende dalla sua composizione e struttura molecolare. In generale, i fili metallici conducono elettricità con relativa facilità perché i loro elettroni esterni sono legati meno strettamente agli atomi associati e quindi possono muoversi più liberamente. Puoi identificare quali materiali sono metalli consultando una tavola periodica di elementi come quella nelle Risorse.

• Il calcestruzzo, sebbene sia una sostanza molto meno conduttiva dei metalli, è comunque considerato un conduttore a conti fatti. Questo è importante dato quanto in alto una frazione delle città del mondo contiene cemento!

• Considera l'affermazione "La maggior parte dei materiali conduttori ha resistenze diverse a temperature diverse." È vero o falso? Spiega la tua risposta.

Ci sono più materiali isolanti che materiali conduttivi nella vita di tutti i giorni, il che ha senso dato i severi requisiti per i materiali isolanti per eliminare semplicemente i gravi livelli di pericolo dalla quotidianità processi. Gomma, legno e plastica sono isolanti onnipresenti e molto utili; praticamente tutti imparano a riconoscere i caratteristici tubicini arancioni attorno alle prolunghe.

Dati i rischi noti di mescolare elettrodomestici e acqua, sorprende la maggior parte delle persone apprendere che l'acqua pura è un isolante. L'acqua che consiste effettivamente di idrogeno e ossigeno senza impurità è rara e ottenibile solo mediante distillazione in un ambiente di laboratorio. L'acqua quotidiana spesso contiene un numero sufficiente di ioni (molecole cariche) per consentire all'acqua "normale" di diventare un conduttore di fatto.

Gli isolanti, come prevedibile, contengono materiali i cui elementi hanno elettroni di valenza legati molto più strettamente al nucleo rispetto al caso dei metalli.

​Resistivitàè una misura della resistenza di un materiale al flusso di elettroni. Misurato in ohm-m (Ωm), è l'opposto concettuale e l'inverso matematico della conduttività. Di solito è indicato con ρ (rho), quindi ρ = ​​1/σ. Si noti che la resistività è diversa dalla resistenza, che è (o può essere) determinata manipolando fisicamente il posizionamento dei resistori in un circuito con valori di resistenza noti.

La resistività e la resistenza in un filo sono legate dall'equazione:

doveRe sono resistenza e resistività eleUNsono la lunghezza e l'area della sezione trasversale del filo. Gli isolanti hanno valori di resistività dell'ordine di 10¹⁶ Ωm, mentre i metalli si registrano nell'intervallo di 10^-8m. A temperatura ambiente, tutti i materiali hanno un certo grado di resistenza misurabile, ma la quantità di resistenza nei conduttori è piccola.

• La resistenza della maggior parte dei materiali dipende dalla temperatura; spesso, a temperature più basse, la resistenza diminuisce.

Alcuni materiali raggiungono uno stato di resistenza 0 a temperature sufficientemente basse. Questi sono chiamatisuperconduttori. Sfortunatamente, raggiungere le temperature richieste per la superconduttività, che comporterebbe un risparmio energetico globale quasi incalcolabile se potrebbe essere propagato in tutto il mondo nella tecnologia esistente - sono proibitivamente ottenibili all'inizio del 21° secolo in laboratorio impostazioni.