1 L'ATOMO E LA STRUTTURA DEI MATERIALI 2 PROPRIETA' CHIMICHE 3 PROPRIETA' FISICHE 4 PROPRIETA' MECCANICHE 5 PROPRIETA' TECNOLOGICHE

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1 1 L'ATOMO E LA STRUTTURA DEI MATERIALI 1 Atomo 2 Ione 3 Molecola 4 Elementi e composti 5 Forma amorfa e cristallina dei solidi 6 Fasi di un composto chimico 7 Leghe 2 PROPRIETA' CHIMICHE 1 La corrosione 2 Corrosione chimica 3 Corrosione elettrochimica 4 Protezione dalla corrosione 3 PROPRIETA' FISICHE 1 Densità 2 Calore specifico 3 Conducibilità termica 4 Temperatura di fusione 5 Calore latente di fusione 6 Dilatazione termica 4 PROPRIETA' MECCANICHE 1 Resistenza alle sollecitazioni semplici Trazione Compressione Flessione Torsione Taglio 2 Durezza 3 Elasticità 5 PROPRIETA' TECNOLOGICHE 1 Malleabilità 2 Duttilità 3 Estrudibilità 4 Piegabilità 5 Imbutibiltà 6 Fusibilità 7 Temprabilità 8 Saldabilità 9 Truciolabilità

2 6 ELETTROSTATICA 1 Conduttori 2 Isolanti 3 Induzione elettrostatica 4 La legge di Coulomb 5 Campo elettrico 6 Potenziale elettrico 7 Differenza di potenziale 8 Generatore di tensione 7 ELETTRODINAMICA 1 Corrente elettrica 2 Circuito elettrico elementare 3 Leggi di Ohm 4 Coefficiente termico della resistenza 5 Superconduttori 6 Energia eletrica W 7 Potenza elettrica P 8 SEMICONDUTTORI 1 Introduzione 2 Silicio 3 Drogaggio Drogaggio di tipo n Drogaggio di tipo p 9 PROPRIETA' MAGNETICHE 1 Campo magnetico 2 Effetto Oersted 3 Forza di Lorenz 4 Legge di Lenz 5 Autoinduzione 6 Comportamento magnetico dei materiali

3 L'ATOMO E LA STRUTTURA DEI MATERIALI Atomo Ione Molecola Elementi e composti Forma amorfa e cristallina dei solidi Fasi di un composto chimico Leghe Atomo L' atomo è la più piccola parte di ogni elemento che conserva le caratteristiche chimiche. E' composto da: Nucleo: costituisce l'intera massa dell'atomo Protoni: sono particelle con carica positiva Neutroni: sono particelle prive di carica Elettroni: sono particelle con carica negativa e ruotano attorno al nucleo Ione positivo/negativo: prende questo nome l'atomo che non è elettricamente neutro, perchè le cariche positive del nucleo e quelle negative degli orbitali non sono tra loro bilanciate a causa della perdita o acquisizione di elettroni Molecola La molecola è l'unione di due o più atomi e rappresenta la più piccola quantità di materia che possiede le proprietà caratteristiche della sostanza a cui appartiene Elementi e composti I materiali si definiscono elementi se le loro molecole sono formate da atomi uguali composti se le loro molecole sono formate da atomi diversi Forma amorfa e cristallina dei solidi La forma dei solidi può essere amorfa se gli atomi hanno disposizione disuniforme e oscillano attorn a una posizione cristallina se gli atomi hanno una disposizione ordinata e sono vincolati a precise posizioni nello spazio Fasi di un composto chimico Le fasi di un composto chimico indicano i diversi stati di aggregazione solido, liquido e gassoso Leghe La lega è l'unione di un metallo con altre sostanze

4 PROPRIETA' CHIMICHE La proprietà chimica fondamentale dei materiali è rappresentata dalla capacità di resistere alla corrosione La corrosione Corrosione chimica Corrosione elettrochimica Protezione dalla corrosione La corrosione La corrosine è un processo distruttivo in base al quale un materiale tende a degradarsi con una lenta distruzione causata da agenti atmosferici o da elemnti chimici. Le corrosioni sono di due tipi: Corrosione chimica e corrosione elettrochimica Corrosione chimica E' un processo provocato dall'azione di gas presenti nell'aria (ossigeno, azoto, idrogeno, anidride carbonica) Corrosione elettrochimica E' un processo che si verifica quando due metalli a potenziale elettrochimico diverso sono immersi nello stesso elettrolita. L'elettrolita è una sostanza che ha la proprietà di dissociarsi in ioni quando è sciolta in acqua o in altro solvente. Esempio: Tubo dell'acqua in ferro cui è applicato un manicotto in rame, il tutto immerso nel terreno (elettrolita). Il rame ha potenziale elettrochimico +0,35, il ferro -0,43, quindi gli elettroni del ferro, vengono attratti dal rame, lasciando il ferro per andare sul rame. Quindi il ferro perde elettroni corrodendosi. Tubo in ferro Manicotto in rame

5 Protezione dalla corrosione Passivazione: utilizzato nei casi di corrosione chimica molti materiali. A contatto con l'aria alcuni materiali subiscono un'ossidazione superficiale che forma una sottile pellicola. Questa produce uno strato che protegge il resto del materiale da ulteriore ossidazione. Rivestimenti metallici: utilizzati nei casi di corrosione chimica. Alcuni metalli si possono proteggere dalla corrosione ricoprendo la loro superficie con altri metalli meno sensibili agli agenti corrosivi. Rivestimenti non metallici: utilizzati nei casi di corrosione chimica. Sono costituiti da vernici, materiali polimerici o smalti. Con questi materiali viene realizzata una copertura sottile che protegge il metallo soggetto a corrosione. Protezione catodica: utilizzato nei casi di corrosione elettrochimica, consiste nel fornire elettroni all'elemento soggetto a corrosione tramite un generatore o tramite un altro elemento a potenziale elettrochimico più basso.

6 PROPRIETA' FISICHE Densità Calore specifico Conducibilità termica Temperatura di fusione Calore latente di fusione Dilatazione termica Densità La densità ρ (ro) di un corpo è rappresentata dal rapporto tra la massa m e il volume V. ρ=m/v Calore specifico Il calore specifico è la quantità di calore che deve essere fornita a un corpo di massa unitaria per aumentare la sua termeratura di 1 C (da 14,5 a 15,5 C)

7 Conducibilità termica La conducibilità termica è la capacità di una sostanza di trasmettere calore. Temperatura di fusione La temperatura di fusione è la temperatura alla quale avviene il passaggio di una sostanza dallo stato solido a quello liquido per effetto della somministrazione di calore.

8 Calore latente di fusione La quantità di calore che occorre fornire a 1 kg di sostanza alla temperatura di fusione perchè passi completamente dallo stato solido allo stato liquido Dilatazione termica Quando si fornisce calore a un materiale, questo tende a occupare uno spazio maggiore. Esempio: Un binario ferroviario è realizzato in acciaio e ha una lunghezza di 18 m alla temperatura di 20 C. In una giornata molto calda, il binario esposto a sole pieno può raggiungere la temperatura di 90 C e subire un allungamento pari a: ΔL = α x ΔT x L0 = 0, x (90-20) x 18 = 0,01386m = 13,86 mm Nelle unioni dei tratti di binario devono quindi essere previsti giunti di dilatazione per evitare deformazioni pericolose.

9 LE PROPRIETA' MECCANICHE Le proprietà meccaniche dei materiali esprimono la capacità di un materiale di resistere alle azioni provocate da forze esterne che tendono a deformarlo Resistenza alle sollecitazioni semplici Trazione Compressione Flessione Torsione Taglio Durezza Elasticità Trazione E' la sollecitazione a cui è sottoposto un corpo soggetto a un sistema di forze divergenti lungo lo stesso asse Compressione E' la sollecitazione a cui è sottoposto un corpo aoggetto a un sistema di forze convergenti lungo lo stesso asse. Flessione E' la reazione di un corpo vincolato che si oppone all'azione di un sistema di forze che tenderebbero a farlo ruotare attorno a un proprio punto

10 Torsione E' la solecitazione che subisce un corpo quando due forze parallele uguali e contrarie agiscono su un piano perpendicolare al suo asse e tendono a far ruotare l'una rispetto all'altra due sezioni adiacenti e perpendicolari all'asse Taglio E' la sollecitazione che subisce un corpo quando due forze uguali e contrarie applicate in due sezioni adiacenti tendono a provocare uno scorrimento reciproco Durezza Capacità di un materiale solido di resistere alla deformazione Elasticità Proprietà di un corpo di riprendere forma e dimensioni originali dopo che ha subito una deformazione

11 PROPRIETA' TECNOLOGICHE Definiscono le caratteristiche dei materiali in rapporto alla lavorazione meccanica 1. Malleabilità 2. Duttilità 3. Estrudibilità 4. Piegabilità 5. Imbutibiltà 6. Fusibilità 7. Temprabilità 8. Saldabilità 9. Truciolabilità Malleabilità E' l'attitudine di un materiale a essere deformato in modo permanente al fine di ridurlo in fogli sottili mediante laminazione o stampaggio Duttilità E' l'attitudine di un materiale ad essere lavorato per essere ridotto in fili sottili mediante la trafilatura Estrudibilità E' l'attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare (per spinta) attraverso un foro sagomato.

12 Piegabilità E' l'attitudine di un materiale a subire piegature di notevole entità Imbutibiltà E' l'attitudine di un materiale ridotto in lamiere a essere deformato per ottenere corpi cavi Fusibilità E' l'attitudine di un materiale a passare dallo stato solido a quello liquido a temperature facilmente raggiungibili Temprabilità E' l'attitudine dei materiali a indurirsi se sottoposti al processo di tempra, che è un ciclo termico composto da tre fasi successive: riscaldamento, permanenza e raffreddamento rapido

13 Saldabilità E' l'attitudine di un materiale a realizzare l'unione stabile tra elementi di materiale uguale o diverso per effetto del calore Truciolabilità E' l'attitudine di un materiale a produrre trucioli quando lavorato con macchinari che asportano del materiale

14 ELETTROSTATICA Si occupa dei fenomeni legati alle condizioni di equilibrio delle cariche elettriche 1. Conduttori 2. Isolanti 3. Induzione elettrostatica 4. La legge di Coulomb 5. Campo elettrico 6. Potenziale elettrico 7. Differenza di potenziale 8. Generatore di tensione Conduttori Si definiscono conduttori quei materiali nei quali il legame atomico non mantiene gli elettroni saldamente connessi al proprio nucleo per cui è possibile mettere in movimento cariche elettriche al loro interno e quindi far circolare corrente. Isolanti Si definiscono isolanti quei materiali nei quali il legame atomico mantiene gli elettroni saldamente connessi al proprio nucleo per cui non è possibile mettere in movimento cariche elettriche al loro interno e quindi far circolare corrente. Induzione elettrostatica E' il fenomeno in base al quale un corpo elettrizzato può elettrizzarne un altro senza contatto. Esempio: Corpo A carico positivamente, corpo B inizialmente neutro. Avvicinando i due corpi l'uno all'altro si osserva che sul corpo B le cariche negative si spostano nella zona più vicina al corpo A, attratte da questo; mentre le cariche positive si spostano nella zona più lontana al corpo A, respinte da questo. La legge di Coulomb La legge di Coulomb esprime la forza che agisce tra due cariche F = k x Q x q / d 2 Dove F è la forza con cui due cariche nello spazio si attraggono o si respingono. Q e q sono le due cariche nello spazio, d è la distanza tra le due cariche, k è una costante che dipende dal mezzo in cui sono immerse le due cariche.

15 Campo elettrico E' una modificazione dello spazio che circonda una carica elettrica e permette il manifestarsi di azioni elettriche su altri corpi introdotti nel campo. Il campo elettrico generato dalla carica Q misurato su una carica campione q si ottiene dividendo la forza F espressa dalla legge di Coulomb per q E = F / q = k x Q / d 2 Potenziale elettrico E' il lavoro compiuto dal campo elettrico generato dalla carica Q + per portare la carica campione q + dal punto A fino al di fuori del campo. Differenza di potenziale E' il lavoro compiuto dal campo elettrico generato dalla carica Q per portare la carica campione q dal punto A al punto B Generatore di tensione E' un dispositivo con due poli, uno positivo e uno negativo. Tra i due poli è presente una certa differenza di poenziale, che si ottiene mantenendo sul polo positivo un accumulo di cariche positive e sul polo negativo un accumulo di cariche negative. Se il generatore viene inserito in un circuito elettrico fa sì che in esso circoli corrente, in quanto gli elettroni presenti nel circuito si muovono lungo il filo conduttore attratti dal polo positivo del generatore. Il generatore deve però mantenere costante la differenza di potenziale tra i suoi poli, quindi deve spostare sul polo negativo gli elettroni che giungono dal circuito sul polo positivo.

16 ELETTRODINAMICA Si occupa dei fenomeni relativi al moto delle cariche elettriche. Corrente elettrica Circuito elettrico elementare Leggi di Ohm Coefficiente termico della resistenza Superconduttori Energia elettrica W Potenza elettrica P Corrente elettrica La corrente elettrica è un flusso ordinato di elettroni aatraverso un materiale conduttore. Circuito elettrico elementare E' costituito da un generatore di tensione V (batteria), una resistenza R (lampadina) e un filo conduttore che collega tra loro gli elementi del circuito su cui scorre la corrente I. Leggi di Ohm Prima legge di Ohm La corrente elettrica che scorre in un circuito elementare è data dalla seguente formula: I = V / R La corrente che scorre nel circuito è direttamente proporzionale alla tensione fornita dal generatore e inversamente proporzionale alla resistenza. Seconda legge di Ohm La resistenza R che un corpo oppone al passaggio della corrente elettrica la suo interno è data dalla seguente formula: R = ρ x L / S

17 Dove ρ (ro) è la resistività del materiale L la lunghezza del corpo ed S la sezione del corpo. La resistenza di un corpo è direttamente proporzionale alla resistività del materiale e alla lunghezza del corpo e inversamente proporzionale alla sezione del corpo. Esempio: Prendendo due corpi dello stesso materiale con dimensioni diverse come riportato in figura, il primo presenterà una resistenza maggiore del secondo al passaggio della corrente elettrica in quanto ha una lunghezza elevata e una sezione ridotta rispetto al secondo.

18 Coefficiente termico della resistenza Per i conduttori la resistenza aumenta al crescere della temperatura, secondo la seguente formula: R T1 = R T0 x ( 1 + α x ΔT ) Dove R è la resistenza alla temperatura iniziale, R T0 T1 è la resistenza alla temperatura finale, α è il coefficiente di temperatura costante per ogni materiale e ΔT è la variazione di temperaura. Infatti la resa luminosa delle lampade fluorescenti diminuisce alle basse temperature. Superconduttori Sono materiali che al di sotto di una certa temperatura presentano resistenza nulla al passaggio della corrente elettrica. Tutti i materiali si comportano come superconduttori se vengono portati alla temperatura dello zero assoluto: 0 K = -273 C (condizione praticamente impossibile).

19 Energia elettrica W Lavoro compiuto dal generatore con tensione V per far circolare la corrente I nel circuito. W = V x I x t Potenza elettrica P Lavoro compiuto nell'unità di tempo dal generatore con tensione V per far circolare la corrente I nel circuito. P = V x I

20 SEMICONDUTTORI Introduzione Silicio Drogaggio Drogaggio di tipo n Drogaggio di tipo p Introduzione I semiconduttori sono materiali a metà tra i conduttori e gli isolanti. Il semiconduttore più utilizzato è il silicio. Silicio Atomo del silicio. +4 Ogni atomo dispone di 4 elettroni che condivide con 4 atomi adiacenti. Legame tra 5 atomi di silicio:

21 Ogni atomo rimane complessivamente neutro, cioè si trova con 4 elettroni e 4 protoni quindi ha complessivamente una carica pari a -4+4=0. Drogaggio Il drogaggio è un'operazione che consiste nel mischiare atomi di arsenico o boro insieme ad atomi di silicio, con lo scopo di modificare la conducibilità elettrica del silicio. Drogaggio di tipo n Si ottiene mischiando atomi di arsenico e di silicio. Atomo di arsenico +5 Ogni atomo dispone di 5 elettroni da condividere con gli atomi adiacenti. Legame tra 4 atomi di silicio e 1 di arsenico (al centro) In rosso si indica l'atomo di arsenico in celeste gli atomi di silicio

22 Conteggio delle cariche Facendo il conteggio delle cariche si osserva che: 1. L'atomo di arsenico si trova con 4,5, elettroni e 5 protoni, quindi ha complessivamente una carica pari a -4,5+5=+0,5 2. L'atomo di silicio in basso si trova con 4,5 elettroni e 4 protoni, quindi complessivamente ha una carica pari a -4,5+4=-0,5 3. Gli altri 3 atomi di silicio si trovano con 4 elettroni e 4 protoni, quindi complessivamente hanno una carica pari a +4-4=0 (neutra) Conclusione In conclusione inserendo un atomo di arsenico in mezzo a 4 atomi di silicio si ottengono due atomi con carica diversa da zero e quindi conduttori di elettricità. Drogaggio di tipo p Si ottiene mischiando atomi di boro e di silicio. Atomo di boro +3 Ogni atomo dispone di 3 elettroni da condividere con gli atomi adiacenti.

23 Legame tra 4 atomi di silicio e 1 di boro (al centro) In verde si indica l'atomo di boro in celeste gli atomi di silicio Conteggio delle cariche Facendo il conteggio delle cariche si osserva che: 1. L'atomo di boro si trova con 3,5, elettroni e 3 protoni, quindi ha complessivamente una carica pari a -3,5+3=-0,5 2. L'atomo di silicio in basso si trova con 3,5 elettroni e 4 protoni, quindi complessivamente ha una carica pari a -3,5+4=+0,5 3. Gli altri 3 atomi di silicio si trovano con 4 elettroni e 4 protoni, quindi complessivamente hanno una carica pari a +4-4=0 (neutra) Conclusione In conclusione inserendo un atomo di boro in mezzo a 4 atomi di silicio si ottengono due atomi con carica diversa da zero e quindi conduttori di elettricità.

24 PROPRIETA' MAGNETICHE Campo magnetico Effetto Oersted Forza di Lorenz Legge di Lenz Autoinduzione Comportamento magnetico dei materiali Campo magnetico E' una modificazione dello spazio che circonda un magnete e permette il manifestarsi di azioni magnetiche su altri corpi introdotti nel campo Effetto Oersted Qualsiasi conduttore percorso da corrente crea nello spazio circostante un campo magnetico.

25 Forza di Lorenz Un tratto di circuito di 1 metro percorso dalla corrente di 1 Ampere, posto perpendicolarmente alle linee di forza di un campo magnetico B di 1 Tesla è sollecitato dalla forza F di 1 Newton. I F Legge di Lenz Quando un filo conduttore non percorso da corrente viene immerso in un campo magnetico variabile in esso si sviluppa una forza elettromotrice che genera una corrente nel filo conduttore. I Autoinduzione Un filo conduttore, percorso da corrente variabile, genera un campo magnetico variabile che a sua volta genera una corrente variabile che si oppone a quella già presente sul filo. I

26 Comportamento magnetico dei materiali Materiali ferromagnetici Immersi in un campo magnetico i loro atomi si orientano tutti nel verso del campo magnetico enfatizzandone molto l'effetto. Materiali diamagnetici Immersi in un campo magnetico i loro atomi non risentono dell'influenza di un campo magnetico. Materiali paramagnetici Immersi in un campo magnetico i loro atomi subiscono un lieve effetto di orientamento e il campo magnetico aumenta leggermente.