Conduttore.

Elettr. - Corpo avente la proprietà di condurre bene l'energia elettrica, cioè di presentare bassissima resistenza alla circolazione in essa di cariche elettriche. Un materiale si dice c. (e lo stesso dicasi per un corpo) se è bassa la sua resistività, cioè se è alta la sua conducibilità (per un corpo la sua conduttanza). Un corpo (o un materiale) che presenti caratteristiche opposte a quelle di un c. si dice isolante. La moderna teoria della struttura della materia, cioè la teoria delle bande di valenza o di Bloch rende ragione dell'esistenza di solidi c. e non c., a differenza della precedente teoria degli elettroni liberi, enunciata in termini quantistici da Sommerfield. Secondo quest'ultima esistono all'interno del materiale metallico degli elettroni liberi di muoversi fra il reticolo, che è perciò costituito da residui ionici carichi positivamente. Questi elettroni costituiscono un gas elettronico; essi si muovono dunque secondo un moto disordinato come un gas. Nella prima formulazione di questa teoria (Lorentz) il gas veniva assimilato ad un gas perfetto; nella trattazione di Sommerfield esso viene considerato un gas degenere; infatti non sono verificate le condizioni necessarie perché si possa trattare come un gas perfetto (il libero cammino medio è molto breve; gli elettroni sono carichi, quindi si respingono; c'è interazione fra gli elettroni e il reticolo; l'elettrone ha comportamento di particella ma anche ondulatorio; ecc.). Secondo questa teoria il gas elettronico (perfetto o degenere che sia) sotto l'azione di un campo elettrico assume un moto d'insieme o di deriva, sovrapposto a quello disordinato dei singoli elettroni, che è responsabile della conduzione. Apparentemente questo schema è soddisfacente; però la possibilità dell'esistenza di una conducibilità dovrebbe essere, secondo questa teoria, correlabile all'energia di ionizzazione degli atomi costituenti il reticolo solido, cioè all'energia necessaria per strappare un elettrone ad uno degli atomi (del reticolo) gassosi e portarlo a distanza infinita. Ora si osserva che l'energia di ionizzazione varia non molto fra un tipo di atomo e l'altro; l'ordine di grandezza di tale variazione è di 1:100. Invece la conducibilità delle sostanze è il parametro che varia di più fra tutte le grandezze misurabili in fisica; fra la conducibilità degli ottimi conduttori (argento, alluminio, rame) e quella degli ottimi isolanti (vetro, mica, ecc.) si trova un rapporto che può giungere a 1:20^-24, che è una variazione enorme. La teoria di Sommerfield cade dunque in difetto nello spiegare l'esistenza di c. e non c., cosa di cui rende ragione la teoria di Bloch. Secondo questa, mentre nell'atomo isolato gli elettroni sono legati al nucleo positivo, e possono trovarsi solo in stati aventi valori di energia ben determinati e discreti (livelli d'energia permessa), passando da uno all'altro per apporto o perdita di energia, quando l'atomo entra a far parte di un reticolo, cioè di un solido, i livelli di energia permessa si allargano a formare bande di energia permessa, pressoché continue, separate da bande di energia proibita. Ciò avviene però solo per gli elettroni più esterni, detti di valenza, mentre quelli più interni restano legati ognuno al proprio residuo ionico, che vibra attorno alla sua posizione reticolare. Tali bande di energia permessa sono costituite da moltissimi livelli discreti (ma talmente numerosi che le bande si possono considerare continue); una eccitazione anche molto bassa (dovuta ad esempio al campo elettrico applicato alla temperatura, anche a temperatura ambiente e minore) basta per far passare gli elettroni da un livello base ad un livello superiore. Se i livelli delle bande di energia permessa non sono tutti occupati, esiste la possibilità che gli elettroni si spostino in livelli vuoti, acquistando libertà di moto. È questo il caso degli elementi monovalenti (litio, sodio, potassio, oro, argento, rame, ecc.) e dei trivalenti (alluminio, magnesio, ecc.). Se invece la banda di valenza è completamente piena, non esiste la possibilità per gli elettroni di acquistare mobilità: siamo in presenza di un isolante. Vi sono però degli elementi (metalli alcalino-terrosi) che pur avendo la banda di valenza piena (sono infatti bivalenti) sono c. Ciò è dovuto al fatto che la loro banda di valenza è separata da quella successiva da un intervallo di energie proibite che ha ampiezza circa nulla, o addirittura le due bande sono parzialmente sovrapposte. Ciò permette che gli elettroni passino dalla banda di valenza a quella successiva, acquistando mobilità. La differenza di ampiezza che presenta la banda di energia proibita nelle diverse sostanze giustifica non solo l'esistenza di c. e non c., ma anche la gradualità con cui si passa dagli uni agli altri e la grande variazione del parametro conducibilità. Da questo punto di vista la teoria di Bloch inquadra bene la fenomenologia; anche essa però non rende ragione di certe osservazioni sperimentali, ad esempio della superconduttività: cioè della grandissima conducibilità che presentano certe sostanze a temperature molto basse, di poco superiori allo zero assoluto. Viene spiegata dalla stessa teoria anche l'esistenza di semiconduttori naturali e per aggiunta di impurezze. Nei primi la banda di valenza è separata da quella successiva da un intervallo di energia proibita che ha ampiezza dell'ordine di kT(con k = costante di Boltzmann e T = temperatura assoluta del solido); l'eccitazione termica basta a far passare un certo numero di elettroni dalla banda di valenza, piena, a quella successiva, vuota; si ha dunque conduzione. Diverso è invece il meccanismo per i semiconduttori per aggiunta di impurezze, che si distinguono in semiconduttori di tipo P (positivo) e di tipo N (negativo). Entrambi questi tipi sono costituiti da un metallo base tetravalente (germanio o silicio) ad alta purezza, cui vengono aggiunte delle impurezze in quantità dosata e molto piccola (dell'ordine di un atomo di impurezza ogni 100.000 atomi del metallo base); in virtù del basso tenore dell'aggiunta questi atomi estranei si inseriscono nel reticolo cristallino in sostituzione degli atomi del metallo base. Se l'aggiunta è di un metallo pentavalente (fosforo, arsenico, antimonio) esso ha 5 elettroni e, impegnandone solo 4 per stabilire il legame con gli altri atomi del reticolo, ha disponibile un elettrone; questo allo zero assoluto è legato all'atomo da cui proviene, ma a temperatura un po' superiore (anche minore di quell'ambiente) acquista capacità di muoversi nel reticolo; il solido diventa un c. di tipo N (così detto in quanto la conduzione avviene per movimento di elettroni, cioè di cariche negative). Nella teoria di Bloch questo equivale alla creazione di livelli molto vicini alla banda successiva a quella di valenza, sui quali sono localizzati gli elettroni in accesso dell'impurezza aggiunta; tali elettroni per eccitazione termica possono passare alla banda vicina, che è vuota. Se al metallo base si aggiungono invece impurezze di metalli trivalenti (boro, alluminio, gallio, indio) con tenori dell'ordine di quello visto sopra, anche questi aromi estranei si inseriscono nel reticolo. Essi però, essendo in difetto di un elettrone rispetto ai 4 necessari per stabilire i legami con gli atomi circostanti, catturano un elettrone da un legame fra due atomi vicini. A sua volta tale legame può catturare un elettrone da un legame circostante e così via; tutto avviene come se ci fosse uno spostamento di cariche positive, che sotto l'azione di un campo elettrico si muovono ordinatamente; siamo pertanto in presenza di un c. di tipo P. Nello schema di Bloch ciò equivale alla creazione di livelli energetici molto vicini alla banda di valenza; un certo numero di elettroni passa su tali livelli, restandovi localizzato, e lasciando nella banda di valenza delle vacanze. ║ Nel linguaggio comune si dice c. il corpo metallico, ridotto in forma di filo o di barra, ed eventualmente rivestito di isolante, adibito alla conduzione di energia elettrica o di segnali elettrici. In genere si usa il rame o l'alluminio; questo ha conducibilità minore del rame, onde a pari resistenza i c. devono avere sezione un po' maggiore; il suo uso è comunque conveniente in quanto il peso specifico dell'alluminio è circa un terzo di quello del rame, e anche il suo costo è minore. Il diametro dei c. varia da qualche mm² a qualche dm² di sezione, secondo i diversi impieghi. ║ C. liquidi e gassosi. In genere non vengono considerati c. nel senso comune della parola; tuttavia i fenomeni di conduzione nei liquidi e nei gas presentano notevole interesse e larghe applicazioni. Nei gas la conduzione avviene come conduzione mista, ionica ed elettronica, in quanto esistono oltre alle molecole, delle molecole o atomi ionizzati per azione dei raggi cosmici o di altre sorgenti di radiazioni. La percentuale di atomi o molecole ionizzate è però bassissima (dell'ordine di una particella per milione), onde la conducibilità di gas è bassissima (eccetto i casi in cui il gas si trova in presenza di una forte radioattività). Quando però si ha un gas fra due elettrodi mantenuti a diverso potenziale, il campo elettrico accelera le particelle ionizzate; se la d.d.p. fra gli elettrodi è elevata, tali particelle acquistano velocità molto elevata e, urtando quelle neutre, ne provocano la ionizzazione per urto. Ogni particella però ne ionizza parecchie altre, onde l'effetto si autoesalta, fino a giungere alla scarica a scintilla o ad arco, in cui il gas, ionizzato in buona percentuale, diventa un buon c. Spesso la scarica è accompagnata da fenomeni luminosi; in particolare le lampade cosiddette al neon sono dei tubi riempiti di un gas (neon, argo, vapori di sodio o di mercurio, ecc.) a pressione ridotta, agli estremi dei quali sono posti due elettrodi fra cui scocca una scintilla, o meglio un arco (in quanto è stabile nel tempo). Queste lampade si dicono ad arco, per distinguerle da quelle ad incandescenza o a filamento. Il fatto che nei gas i portatori di corrente esistano solo in piccolissima quantità, prima dell'applicazione del campo elettrico, fa sì che la caratteristica tensione corrente di un c. gassoso non passi per l'origine e abbia un andamento anomalo, a pendenza variabile; la resistività di un gas è perciò in funzione del campo elettrico, dell'esistenza di fonti di ionizzazione, del tempo e anche della forma degli elettrodi. Ben diverso è il meccanismo di conduzione nei c. liquidi o, secondo la denominazione di Volta, conduttori di seconda specie. I liquidi puri sono in genere dei cattivi c., o meglio degli isolanti. Ad esempio l'olio minerale è usato come isolante in elettrotecnica (condensatori, interruttori, trasformatori). Anche l'acqua distillata è un cattivo c. Nei liquidi polari (acqua, ammoniaca, alcoli, ecc.) si sciolgono però sostanze a comportamento ionico, cioè che in soluzione si dissociano in ioni carichi positivamente e negativamente. Se noi immergiamo nel liquido due elettrodi fra cui si mantenga una d.d.p., gli ioni positivi (o cationi) migrano nel senso di circolazione della corrente, mentre quelli negativi (o anioni) migrano in senso opposto. Il trasporto di corrente è dunque affidato agli ioni, che sono dei residui molecolari carichi; la conduzione è di tipo ionico, in quanto avviene con migrazione di materia ed è accompagnata da effetti chimici. I portatori di corrente presistono all'applicazione del campo, onde la caratteristica tensione corrente ha pendenza costante, pur non passando per l'origine, salvo rari casi. Nei sali fusi, che sono pure dei c. liquidi, spesso usati nell'industria elettrochimica, si è spesso in presenza di una conduzione mista elettronica e ionica allorché si faccia una deposizione catodica di un metallo. In genere la conducibilità elettronica è sempre molto minore di quella ionica. ║ Analogamente alla definizione di c. (e isolante) di elettricità si dà quella di c. termico e di isolante termico (o anche solo di c. e isolante). Il fenomeno di conduzione del calore è però ben diverso da quello di conduzione dell'energia elettrica; i buoni c. di elettricità (metalli, principalmente argento, rame, alluminio) sono buoni c. di calore, ma non viceversa. L'attitudine di un solido o liquido o gas a condurre calore è misurata dalla sua conducibilità termica; anche questa varia molto in natura ma non come quella elettrica; dai migliori c. ai migliori isolanti si ha una variazione dell'ordine di 10⁴. Mentre nei gas il trasferimento di calore avviene per urti fra le molecole "più calde", cioè da un punto di vista microscopico più veloci, e "più fredde" con trasferimento di energia cinetica, e per diffusione delle molecole "calde" fra le molecole "fredde", nei liquidi predomina il primo aspetto. Ogni molecola tende a portarsi allo stesso livello energetico delle vicine cedendo ad esse l'eccesso di energia che possiede. Il fenomeno si vede ancor meglio nei solidi: nelle zone più calde gli atomi o i residui atomici vibrano attorno alle loro posizioni reticolari con ampiezza maggiore che nelle zone più fredde. Vi è dunque un trasferimento di quantità di moto da ogni residuo a quelli vicini a energia minore, col risultato che si ha un flusso di energia cioè di calore dalle zone più calde a quelle più fredde del solido. Tutti i metalli e i solidi cristallini sono buoni c.; sono invece buoni isolanti i gas e i solidi a struttura fibrosa (amianto, lana animale e minerale, ecc.) o cellulare (materie plastiche espanse) in quanto contengono fra le fibre o nei pori del gas. I gas infatti, come anche i liquidi, sono buoni isolanti ma solo se in strati sottili, in modo che non si possa originare una convezione naturale, cioè un trasferimento di calore con trasporto di materia; in questo caso, pur avendo bassa conducibilità, essi si comportano apparentemente come buoni c. In pratica, mentre nelle coibentazioni si fa uso di isolanti termici, non c'è uso di c. termici che sia paragonabile a quello dei c. elettrici; il calore non viene mai condotto attraverso cavi o barre, ma semplicemente trasferito attraverso grandi superfici di piccolo spessore.