La conduzione elettrica nei solidi e il movimento degli elettroni

Conduzione elettrica nei solidi

La conduzione elettrica nei solidi può avvenire in modi diversi a seconda della configurazione dell’aggregato atomico e molecolare costituente il corpo. Più propriamente la conduzione può avvenire:

a) per mezzo di elettroni liberi come nei conduttori metallici;

b) per mezzo di elettroni in eccesso e di elettroni in difetto (lacune) come nei semiconduttori.
I metalli sono costituiti da atomi che possiedono meno di quattro elettroni periferici. Questi sono pochissimo vincolati al nucleo e quindi sono instabili, per cui senza alcuna forza esternai è sufficiente la temperatura ambiente) abbandonano i loro atomi che diventano ioni positivi, per trasferirsi su altri ioni positivi vicini, che ridiventano atomi. Si ha cioè un continuo scambio di elettroni fra gli atomi. Il corpo risulta spontaneamente ionizzato. Difatti un buon conduttore è costituito da:

a) atomi (cariche neutre);

b) elettroni liberi o vaganti (ioni negativi);

c) atomi in difetto di elettroni (ioni positivi).

II numero degli elettroni liberi o dei corrispondenti ioni positivi è però piccolissimo rispetto al numero degli atomi.

Lo spostamento degli elettroni vaganti avviene in tutti i sensi ma con perfetta simmetria, per cui la risultante delle debolissime correnti che producono è nulla. Pertanto il conduttore, considerato nel suo insieme, è neutro.

Qual è la corrente elettrica nei conduttori?

Se si stabilisce invece una d.d.p. all’estremità del conduttore, mediante un generatore elettrico, gli elettroni liberi sono costretti a muoversi tutti in un unico senso, perchè respinti dalla polarità negativa ed attratti dalla polarità positiva del generatore. Si determina allora nel conduttore una corrente elettrica dovuta allo scorrimento degli elettroni da un atomo all’altro successivo, detta corrente di conduzione . È importante anche osservare che la conduzione elettrica nei metalli è di natura elettronica, cioè dovuta al movimento di elettroni e non di ioni.

Velocità di propagazione e scorrimento

Nei conduttori solidi gli elettroni si spostano di qualche centimetro al secondo, mentre la velocità di propagazione dell’energia elettrica e cioè degli scambi tra elettroni ed atomi, è dell’ordine di quella della luce e cioè di 300.000 km./sec.

Consideriamo un conduttore lungo 1.000 metri sottoposto ad una d.d.p. Se all’estremità negativa entra un elettrone, all'estremità positiva esce un altro elettrone dopo un trecentomillesimo di secondo, mentre lo spostamento materiale degli elettroni liberi è di una frazione piccolissima di millimetro. La velocità di propagazione e cioè del movimento d’impulso lungo il conduttore è dunque grandissima, mentre la velocità di scorrimento degli elettroni è di soli pochi cm./sec.