Cenni sulla struttura della materia

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1 Cenni sulla struttura della materia Tutta la materia è costituita da uno o più costituenti fondamentali detti elementi Esistono 102 elementi, di cui 92 si trovano in natura (i rimanenti sono creati in in laboratorio) La particella elementare di un elemento che ne conserva ancora le proprieta è l atomo La combinazione di elementi differenti genera le i composti, il cui costituente elementare è la molecola

2 L Atomo L atomo è costituito da un nucleo caricato positivamente e da elettroni che ruotano attorno al nucleo, aventi complessivamente la medesima carica ma di segno opposto Il nucleo a sua volta contiene neutroni (neutri) e protoni (carica positiva). Il numero di protoni è detto numero atomico (1-102) e rappresenta la carica totale positiva L elettrone ha la stessa carica, in valore assoluto, del protone, quindi, per la neutralità dell atomo, il numero di elettroni coincide con quello dei protoni

3 Forze atomiche e orbite degli elettroni Le forze elettriche che si esercitano tra il nucleo e gli elettroni vanno a bilanciare quelle determinate dal movimento degli elettroni (condizione di equilibrio) Gli elettroni che ruotano sull orbita più esterna di un atomo sono detti elettroni di valenza e sono quelli che vengono impiegati per tenere uniti gli atomi tra loro Per un dato atomo, tutti gli elettroni che ruotano ad una certa distanza dal nucleo hanno associato lo stesso livello di energia, che caratterizza quell orbita specifica

4 Modello dell atomo di Bohr Idrogeno Alluminio Silicio Germanio

5 Assiomi del modello di Bohr Gli elettroni di un atomo esistono solo in stati energetici discreti. Le orbite possibili sono a distanze discrete dal nucleo Per muovere un elettrone ad un orbita ad energia più elevata bisogna fornirgli un enegia pari alla differenza tra l orbita di arrivo e quella di partenza. Viceversa se l elettrone si muove verso un orbita a minore energia, emetterà energia (sottoforma di radiazione) pari alla differenza tra le due orbite Rimanendo sulla sua orbita un elettrone non emette nè assorbe energia

6 Inadeguatezza del modello di Bohr Il modello di Bohr può rappresentare correttamente gli atomi più semplici ma fallisce con quelli complessi (numero atomico elevato) La teoria atomica moderna è basata sul concetto di orbitale, che rappresenta la regione di spazio intorno al nucleo in cui si ha la maggiore probabilità di trovare un elettrone Ogni atomo ha un certo numero di orbitali, a cui è associata una quantità di energia multipla di una quantità elementare detta quanto Quando un elettrone si sposta da un orbitale ad un altro si ha emissione o assorbimento di energia

7 Aggregazione di atomi Aggregando atomi si formano le molecole, che sono il costituente basilare di ogni forma si materiale (elemento o sostanza) Le molecole si formano tramite legami (detti covalenti) che coinvolgono gli elettroni di valenza (orbitali più lontani) Gli stati di aggregazione della materia sono tre, solido, liquido e gassoso. Dipendono da molteplici fattori tra cui l energia dei legami, l energia cinetica delle particelle ad una data temperatura Al variare della temperatura può modificarsi lo stato di una sostanza

8 Modello a bande La disposizioni degli atomi dei materiali assume una disposizione regolare che si ripete nello spazio (struttura cristallina) Gli elettroni degli orbitali più esterni in queste strutture hanno associati stati energetici ben precisi detti bande Ogni materiale presenta almeno tre bande: Banda di valenza: valori di energia che ha un elettrone legato al nucleo Banda proibita: livelli energetici non permessi Banda di conduzione: livello energetico richiesto per liberare un elettrone dall attrazione del nucleo. E popolata solo nei conduttori

9 Classificazione dei materiali Isolanti: l estensione della banda proibita è molto grande. L energia a temperatura ambiente degli elettroni nella banda di valenza non è sufficiente a spostarli in quella di conduzione Conduttori: la banda di conduzione è quasi contigua a quella di valenza. Gli elettroni dell orbitale più esterno possono quindi spostarsi nella banda di conduzione con il solo contributo della temperatura Semiconduttori: l estensione della banda proibita è tale da consentire solo a pochi elettroni di passare nella banda di conduzione a temperatura ambiente.

10 (Semiconduttori) All aumentare della temperatura il numero di elettroni che passa nella banda di conduzione cresce rapidamente Superconduttori: sono materiali particolari che, quando la temperatura scende sotto un valore critico (vicino in genere allo zero assoluto: -273 C), presentano una banda proibita nulla. Di conseguenza tutti gli elettroni della banda di valenza diventano liberi.

11 Caratterizzazione Elettrica dei materiali Il trasporto di carica attraverso un materiale (corrente elettrica ) avviene tramite gli elettroni nella banda di conduzione L attitudine di un materiale a favorire il passaggio di corrente è descritta dalla sua conducibilità, misurata in (1/Ohm)/m. Il simbolo usato è. L inverso della conducibilità è definito resistività Nei buoni conduttori è > di I buoni isolanti presentano una resistività >10 5.

12 Campi di forze elettriche Le cariche elettriche esercitano tra loro interazioni descritte attraverso campi di forze Il campo Elettrico E è un vettore caratterizzato da una direzione nello spazio e da una intensità. Rappresenta la forza che viene esercitata su una carica elementare sottoposta alla sua azione Carica elementare Campo Elettrico Forza esercitata

13 Materiali sottoposti a un Campo Elettrico Applicando un campo elettrico ad un buon conduttore si fornisce energia agli elettroni liberi che iniziano a muoversi nella direzione del campo (corrente elettrica) Se il materiale è invecie un dielettrico non essendoci elettroni liberi non si può ottenere un movimento di cariche La forza esercitata dal campo elettrico sposta il centroide della carica positiva totale rispetto a quello della carica negativa (le due cariche totali sono uguali per la neutralità del materiale)

14 Si ottiene quindi un dipolo elettrico equivalente che interagisce con il campo applicato: Campo E applicato nullo ± Materiale Dielettrico Campo E applicato diverso da Materiale Dielettrico In realtà non si ha un solo dipolo ma tantissimi dipoli elementari, che tendono più o meno ad allinearsi nella direzione del campo applicato. L orientazione si definisce polarizzazione del dielettrico. La permittività elettrica (o costante dielettrica) misura la capacità di una sostanza di lasciarsi polarizzare dal campo E applicato. Nel vuoto vale: = Farad/m Per un generico materiale si pone =. r con r detta costante dielettrica relativa del mezzo

15 Materiali dielettrici Sono in generale isolanti con valori di r maggiore di 1 Vengono impiegati per immagazzinare carica elettrica (condensatori). Si vedrà che sono in grado di ridurre la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche Tutti i dielettrici reali presentano anche una dissipazione legata all energia consumata per allineare I dipoli elementari

16 Il campo Magnetico Rappresenta un altro campo di forza H che viene generato da una carica elettrica in movimento Anche un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico. Più precisamente si ha in questo caso un campo elettromagnetico essendo E ed H strettamente legati tra loro Il campo elettromagnetico è regolato dalle equazioni di Maxwell Anche il campo magnetico interagisce con i materiali a cui è applicato

17 Materiali sottoposto ad un campo Magnetico Quasi tutti i materiali sono quasi trasparenti rispetto ad H (diamagnetici o paramagnetici) Solo per pochi materiali, detti ferromagnetici, (ad es. ferro e cobalto), c è un fenomeno analogo alla polarizzazione elettrica, detta in questo caso magnetizzazione Gli atomi dei materiali sono assimilabili a dipoli magnetici elementari (elettroni che girano intorno al nucleo). Nei materiali paramagnetici e diamagnetici sottoposti a campo H l allineamento dei dipoli è quasi nullo, quindi tali materiali sono trasparenti rispetto ad H

18 Nei materiali ferromagnetici invece il campo H determina un allineamento quasi completo dei dipoli elementari. Si dice che il materiale risulta la magnetizzato La permeabilità magnetica esprime l attitudine di un materiale a lasciarsi magnetizzare. Lo spazio vuoto presenta = 0 = A/m. In generale si pone = 0 r, con r permeabilità magnetica relativa Per i materiali paramagnetici r è leggermente maggiore di 1, mentre è di poco inferiore a 1 per i materiali diamagnetici I materiali ferromagnetici hanno invece r molto maggiore di 1. Presentano inoltre fenomeni di memoria

19 La legge di Ohm Applicando un campo elettrico E ad un mezzo con conducibilità finita si prova un flusso di carica (densità di corrente elettrica J): J=. E (Legge di Ohm) Passando alla corrente I e alla differenza di potenziale V, la legge di Ohm si esprime come: V=R. I con R resistenza elettrica Per un conduttore di conducibilità s, spessore h e sezione, la resistenza risulta: R=h/(