Si definisce conduttore un corpo entro il quale siano presenti delle cariche elettriche libere di muoversi (al suo interno e sulla sua superficie). Gli elettroni periferici che si muovono rapidamente nel reticolo cristallino predono il nome di elettroni di conduzione . In un conduttore le cariche elettriche si muovono fino a raggiungere una stato di equilibrio detto " equilibrio elettrostatico ", questa è la condizione in cui tutte le cariche presenti sui conduttori in esame sono ferme. Gli esperimenti mostrano che, all'equilibrio, la carica elettrica presente in un coduttore si trova su tutta la sua superficie esterna. Secondo tale affermazione se l'oggetto è carico negativamente , gli elettroni che esso possiede in eccesso sono localizzati in superficie, dato che sono le uniche cariche elettriche libere di muoversi; se invece è carico positivamente, gli elettroni che ha in meno sono elettroni che mancano alla sua superficie. In entrambi i casi, all' equilibrio, il volume interno del conduttore è neutro, cioè ha una carica netta (somma algebrica di tutte le cariche dei protoni ed elettroni ) uguale a zero .
Il campo elettrico e il potenziale elettrico di un conduttore
All' interno di un conduttore carico in equilibrio elettrostatico il campo elettrico è nullo , ossia uguale a zero. Sulla superficie di un conduttore carico in equilibrio elettrostatico il campo elettrico è perpendicolare alla superficie stessa. I noltre l'interno del conduttore è una REGIONE EQUIPOTENZIALE ossia nella quale il potenziale è costante in ogni punto del conduttore.
La densità superficiale di carica su un conduttore
Su una sfera conduttrice che non subisce forza elettriche esterne, la carica, per simmetria, si dispone in modo uniforme. In altre parole, se sulla sfera consideriamo una porzione di superficie di area Δ S e misuriamo la carica Δ Q in essa contenuta e poi ripetiamo lo stesso procedimento con altre porzioni di superficie, troviamo che la densità superficiale di carica σ= Δ Q/ Δ S risulta sempre la stessa. Ciò tuttavia, non è più vero se il conduttore carico ha una forma irregolare.Dagli esperimenti risulta infatti che in un conduttore in equilibrio elettrostatico la carica si concentra nelle parti più incurvate (dove il raggio di curcavatura è più piccolo).
Il teorema di Coulomb
Per calcolare l’intensità del campo elettrico si ultilizza il teorema di Coulomb, che mette in relazione il campo elettrico nei punti sulla superficie di un conduttore con la densità superficiale di carica σ del conduttore stesso. Secondo questo teorema, in condizioni di equilibrio elettrostatico la densità di carica σ in un punto P della superficie di un conduttore e il modulo E del campo elettrico in quel punto sono legati dall’equazione :
E = l σ l / ε
dove ε è la costante dielettrica assoluta del mezzo isolante in cui è immerso il conduttore.
Inoltre dal teorema di coulomb sappiamo che il modulo del campo E del campo elettrico appena all’esterno del conduttore è direttamente proporzionale a l σ l. Quindi in prossimità delle punte di un conduttore carico il campo elettrico è molto intenso. Questa propietà è conosciuta come potere delle punte . Vicino alla punta di un conduttore carico le molecole ionizzate e gli elettroni liberi, sempre presenti nell’aria in piccolo numero, acquistano velocità e possono anche ionizzare altre molecole . Analizzando a livello microscopico il comportamento di queste particelle cariche si osserva che il fenomeno che domina è la repulsione, da parte delle punte, delle particelle che hanno la loro stessa carica.
Tipi di conduttori:
I materiali sono catalogati a seconda della maggiore o minore capacità di far passare facilmente elettroni al loro interno. Queste le principali categorie:
-
conduttori metallici
-
conduttori elettrolitici
-
conduttori gassosi
-
isolanti
-
semiconduttori
-
superconduttori
Conduttori metallici
Appartengono a questa categoria tutti i metalli, come, ad esempio, rame (Cu), argento (Ag), Alluminio (Al). Sono ottimi conduttori sia di corrente che di calore e possiedono una struttura cristallina.
Conduttori elettrolitici
(Elettrolita (idrossido di potassio) fuoriuscito da una pila alcalina danneggiata.)
Si identificano tipicamente nelle soluzioni acquose di sali inorganici. In una soluzione i legami elettrici che tengono uniti gli ioni sono indeboliti e parte delle molecole del soluto si separano in cationi (ioni positivi) ed anioni (ioni negativi), dotati di energia cinetica dovuta all'agitazione termica. In presenza di un campo elettrico, al moto disordinato delle cariche (sia positive che negative) si sovrappone un moto ordinato delle cariche stesse, che è la causa del passaggio di una corrente elettrica.
Conduttori gassosi
Gli aeriformi sono tendenzialmente isolanti, ma alcune molecole di gas, sotto particolari condizioni, possono perdere elettroni ed offrire conducibilità elettrica sia per moto di ioni negativi che positivi. Talvolta la conducibilità elettrica è notevole.
Isolanti
Lo sono principalmente la maggior parte dei solidi ionici e covalenti. In un isolante non esistono elettroni di valenza liberi di muoversi e tali da evidenziare un flusso di cariche ordinate, sotto l’azione di un campo elettrico. In realtà non esistono isolanti perfetti, ma sostanze definite isolanti perché offrono una resistenza assai grande al passaggio di cariche elettriche.
Semiconduttori
Le loro proprietà sono intermedie tra quelle dei conduttori e degli isolanti. Sono sostanze solide cristalline che offrono conducibilità crescente all’aumentare della temperatura. A temperatura ambiente manifestano proprietà di semiconduttori, ovvero, la conducibilità elettrica dipende da elettroni e “lacune” (con carica elettrica positiva). L’aggiunta di opportune impurità può esaltare la conduzione elettrica.
Superconduttori
Per alcuni materiali la resistività si riduce a zero se sono raffreddati ad una temperatura inferiore ad una temperatura critica, che dipende dal materiale considerato (ad esempio 4.1 K per il mercurio). In un conduttore che si trova al di sotto della sua temperatura critica la resistenza è nulla e quindi una corrente elettrica, una volta prodotta, si mantiene costante nel tempo senza che ci siano effetti dissipativi (riscaldamento, perdite di energia). La superconduttività è una proprietà presentata da una grande varietà di materiali quali alluminio, leghe metalliche, semiconduttori con aggiunta di impurità. Il principale ostacolo allo sfruttamento della superconduttività risiede nella difficoltà di raggiungere e mantenere le temperature estremamente basse a cui si manifesta. Recentemente però sono stati scoperti alcuni composti di ceramiche con temperature critiche più elevate (attorno a -200 ºC) molto più facili da raggiungere.
