11 aprile Annalisa Tirella.

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Edmondo Festa
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1 Scienze dei Materiali A.A. 2010/ aprile 2011 Annalisa Tirella

2 Metalli I metalli sono elementi chimici che possono essere utilizzati sia puri che in forma di leghe (combinazioni di più elementi). Sono noti per le ottime caratteristiche di conduzione elettrica e termica, nonché per la resistenza meccanica. La struttura micro e macroscopica è strettamente legata alle tecniche di lavorazione.

3 Metalli Descritti come una distribuzione di cariche positive (nuclei atomici) circondati da un maredi elettroni delocalizzati. Una così stretta vicinanza degli atomi consente agli elettroni, appartenenti agli orbitali più esterni, detti elettroni di valenza, di essere attratti da nuclei contigui. Il legame che tiene legati nuclei ed elettroni è detto legame metallico.

4 Proprietà CHIMICO-FISICHE Densità Temperature fusione, ebollizione Cristallinità Conduttività elettrica Conduttività termica Permeabilità Indice di rifrazione Colore Ecc.

5 Reticolo cristallino (cristallinità) Il reticolo cristallino è una rappresentazione geometrica che possiede una precisa disposizione di atomi ai vertici di una struttura solida. La disposizione periodica ed ordinata di reticoli cristallini conferisce il grado di cristallinità di un materiale. Definiti gli elementi di simmetria (centri, rette e piani), è possibile identificare i seguenti sistemi cristallini: Cubico Rombiedrico Tetragonale Esagonale Monoclino Rombico Triclino

6 Struttura dei metalli Caratterista di ogni metallo è la sua struttura. Ogni metalli ha un reticolo cristallino che lo contraddistingue; tra le forme più comuni si ricorda: Cubica corpo centrato (CCC) Ferro, tungsteno, molibdeno Cubica facce centrate (CFC) Rame, acciaio, alluminio, piombo, oro, argento Esagonale compatta (EC) Magnesio, cadmio, zinco

7 Difetti della struttura cristallina Vacanze, sono difetti puntuali che creano discontinuità elettriche; Dislocazioni, sono difetti di linea che creano discontinuità nella trasmissione degli sforzi; Bordi di grano, sono difetti di superficie che causano il cambiamento dell orientamento della struttura cristallina; Difetti di volume, irregolarità della distribuzione dei reticoli cristallini. I difettisono molto studiati poichè essi influenzano enormemente le proprietà risultanti dei metalli

8 Conducibilità elettrica La conducibilità (o resistenza) elettrica è la misura della forza esercitata da un materiale per il passaggio di corrente elettrica. La conducibilità elettrica è spesso indicata come il reciproco della resistività. σ = 1 ρ Bassi valori di resistività indicano che il materiale risponde molto velocemente favorendo un movimento di cariche elettriche.

9 Resistività Nei metalli con sezione A costante è possibile indicare la resistività come: ρ = RA l N.B. la resistività si misura in (Ω m), mentre la resistenza elettrica in (Ω) in cui R indica la resistenza elettrica del materiale.

10 Resistività dei metalli Argento ⁸ Ω m Rame ⁸ Ω m Oro ⁸ Ω m Alluminio ⁸ Ω m Tungsteno ⁸ Ω m Ferro ⁸ Ω m Platino ⁸ Ω m Silicio ³ Ω m La conducibilità è l inverso della resistività

11 Legge di Ohm R = V i Generatore di tensione La Legge di Ohmesprime una relazione tra differenza di potenziale ai capi di un conduttore e la corrente elettrica che lo attraversa

12 Conducibilità termica La conducibilità termica misura l attitudine di un materiale a trasmettere il calore, viene definita come il rapporto tra il flusso di calore ed il gradiente di temperatura: flusso calore (W) distanza(m) sezione(m²) temperatura(k) N.B. la conducibilità termica si misura in W m ¹ K ¹ Maggiore è la conducibilità termica meno è isolante il materiale

13 Conducibilità termica dei metalli Argento Rame Oro Alluminio Ottone Platino 430 W m ¹ K ¹ 390 W m ¹ K ¹ 320 W m ¹ K ¹ 236 W m ¹ K ¹ 111 W m ¹ K ¹ 70 W m ¹ K ¹

14 Resistività e temperatura Nei metalli la resistività aumenta proporzionalmente con la temperatura: ρ = ρ α [ + ( T )] 0 1 T 0 In cui αindica il coefficiente termico del metallo.

15 Resistività e temperatura [ + ( T )] ρ = ρ0 1 α T 0 Con l aumento della temperatura, gli ioni positivi vibrano maggiormente provocando: dispersione degli elettroni di conduzione, diminuendo i percorsi liberi ed i tempi che intercorrono fra una collisione e l altra

16 I semiconduttori I semiconduttori sono una classe di materiali che hanno valori di resistività compresa tra quella dei conduttori (metalli) e degli isolanti (plastiche). Gli elettroni di valenza di questi materiali non riescono a passare alla banda di conduzione (e.g. a basse temperature).

17 I semiconduttori intrinseci Il silicio ed il germanio sono due metalli semiconduttori. Una variazione di temperatura (eccitazione termica) può indurre il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione, aumentando la conducibilità elettrica e facendo passare corrente. Nel caso in cui venga fornita energia, l elettrone viene strappato dal suo legame ed al suo posto si crea una lacuna-vacanza dovuta all eccesso di carica positiva di quel determinato ione

18 I semiconduttori intrinseci Effetto della temperatura sulla semiconducibilità: aumentando l energia di base del sistema, si portano più elettroni in banda di conducibilità, quindi è più semplice ottenere elettroni di valenza disponibili per la conduzione

19 I semiconduttori estrinseci Sono materiali drogati, ovvero materiali a cui sono state aggiunte impurità puntuali (vacanze) nel reticolo cristallino. L elettrone messo a disposizione dall impurezza si trova in una banda intermedia, ad energia più alta dei suoi simili. È quindi necessario un quantitativo energetico inferiore ad eccitarlo e portarlo in banda di conduzione Drogaggio tipo p Drogaggio tipo n

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