Appunti rielaborato di Materiali per l'ingegneria

Sintesi di per materiali: l'ingegneria elettrica

Introduzione

• Stati di aggregazione
• S-Sublimazione
• Glifusione evaporazione

Stato solido - gassoso stato STATO-LIQUIDO- -volume solidificazione condensazione.

La hamateria volumehanno. La volumemateria Nonha eliberiforma tendono adpropriae proprio sema nonforma il possibileespandersihanno piùpropria.

I legami chimici

I legami chimici- le tra formazioneallaatomiCon interazioniindichiamo portano diglobalmente chelegame chimicomolecole metallicicristalli ionica oo. valore elettrodiatomi negativitàforma altohannotra chelegame che.

Legame covalente unsi• = forzaatomi latraquindi metallo Il laesplicalegame lungoe proprianon. similielettricamentedue atomidicongiungente. elementila gratuità tradifferenza elettroneha luogo èduechelegame di.

Legame ionico se• i= elettroniIl mediante la condivisione degli19 legamesuperiore avvienea,. elettroniparticolare dall' atomoabbiamo il di menoo piùunoin passeggioelettroneelettrone gatwo gattoquello piùa. elettroni valenza elevatodi compartecipazione.

Legame metallico gli con numerounmessi• vengono in= ditra formaatomi atomielettroniSidi sottogliche dispersiha quindi gli sono. metallielettronicanuvola intensita atomibossa Gli quindidei degliPositivo }ioneuno sonoa.

GLIIIIInegativi' atomo diune atomielettronida valenza legaticircondati pacificipositivi aioni pocoPERSOHACole Lacosiddetti; Elettroni suoi° ELETTRONI presentiGlisonoLIBERI Ultimoi PARTECIPANOLivello ENERGETICO sono CHEQuelliElegami E DETERMINANO PROPRIETÀCHEAi LEUN ELEMENTOCHIMICHE Di.

Tg capitolo 1

Materiali impiegati nell'ingegneria

• Materiali nell'impiegati ingegneria- caratterizzati reticolodi valenzanellaSono banda delda cristallinoMATERIALI Conduttori Elettroni LIBERI• =.

Li suddividerepossiamo :in alluminio ferrosealluminio di leghelegheargentotradizionali1) rame oro e rame=, ,,, ,carbonio; conduttoriconduttivecrioresistiui superconduttori polimeri2) TRADIZIONALINON a=,,, il( linearecaratteristica v - non.

Materiali magnetici

materiali l' diSono magnetizza sotto magneticodiMATERIALI MAGNETICI capaci campoazione un• e sottomagnetizzati patto lorodi lalungo che temperaturarimanere aae rimangala temperatura di Curie È detto punto di Curie queltraDistinguiamo: valore di temperatura al di sopradel quale un materialeMASSICCI- ferromagnetico perde alcune delletradizionali orientaticristallicristalliniLAMINATI i a- , sue proprietà (come la, .caotica atomidisposizione degliAMORFI corrispondenza non univoca trai- campo esterno emateriale permanentimagneti legheMATERIALIALTRI per:- , magnetizzazione), e si comportaspeciali ferrati similmente a uno paramagnetico., .

Materiali per l'isolamento elettrico

materiali parti potenzialeSonoMATERIALI impiegatiPER l' Isolamento elettrico separareper• a= correntedifferente impedire quindi il di poichée per passaggio mancanodielettricole È quest' ultimolibere dadiversocariche perchéun in. fenomeni dellaverificano polarizzazionesi i.

Possono essere i fluoruroazoto zolfodiGassosi aria esca- =., ,minerali09 liquidisintesidioliLIQUIDI e gasi- ., reticolatitermoplastici polimeripolimeripolimerisolidi- =,,termoindurenti elettrici materialiferrocorta compositi,,,.

Difetti e impurezze

Difetti e impurezze- nell'materiali allineamentoperfetti difetticristallini degli atomiadI sempre esempiosononon,cristallinoreticolointernoall' del.

TIPO DI Faf. DIFETTOÈ PLANARIDifettiLINEARIPUNTUALIDifetti Difetti ODISLOCAZIONIloroPossono volta puntoRappresenta diessere una qualsiasidialle baseSano tradi tipo deformazione discontinuitàdiverso di regioni aprocesso: plastica Abbiano i differente orientazione.

Atomo interstiziale cioè• .= DISLOCAZIONE SPIGOLOA•atomo colloca = cristallografia Unache regionenon si coninun all' introduzionecorrispondente. reticolodefinito orientazionedel certa deltapunto èsupplementare unadiun pianosemiun,reticolo cristallino cristallonel " La" Zonagrano o..

traccia intornocircuitoSi contatto tradiun diversigrandifferenzaalla dislocazione la detta bordo "del "è;sostituzione,Atomo cioè grano• = cristallo. del tra sentopercorso borditraatomo sostituisceche Distinguiamodifettocristalloun difettoun aconereticoloaltro lui chiamato DISORIENTAè?DEBOLE (BORGESvettore soZone eun diain bordiestraneo A vite FORTEDislocazione disorientatie• onea.. --- ..- -.. .-atomo )(distinzione puramenteladi 710lacune èmancanza• un= .reticolo cristallino ledal realtàformale duepoiché in. le troviamodislocazioni insiemesolidiNei Ionici possonosi avere:

• Interstizialenormaleè posto da odFRENKEL positivodifetto unaioneUno unaposizione;= totale reticolodalpositivodi
• SHOITKY ioneDifetto negativomancanza uno de=.

Stati di Fermi

Stati Fermididisponibili e-Prima teorialivello la delle colbandediintrodurre ildi chedireFermi e cominciamo, chiamatole particelle momentoseconda del I anchepossibile lorocatalogareè angolareSPINa)intrinseco. ) la( statisticafrazionariosemento dichequindiAbbiano FERMIONI seguonopiu oi a interooltre od obbedire al esclusione Paul idi di edFERMI DIRAC Bosoniprincipio spiaa,, la statistica diche µEINSTEINBoseinvece seguono -

Secondo il principio di esclusione di Pauli AD ESEMPIO DUE Elettroni ←Nello StessoCon spin UGUALE due fermioni identici non possono occupareORBITALE. lo stesso stato quantico elementostruttura bande.

Struttura elettronica delle bande

Parliamo elettronicadella Come possiedesappiamoinveceora a ogni,. elettroni differentiorbitali differenteed quindididiversi avràoccuperà energiaessiciascuno., traDistinguiamo Valenza BANDABANDA DI cadutoleDIe. elettronil' davalenza bandaultimabanda completamenteLa di occupataodè essere. totalmenteLa bandalaconduzionebanda rappresentadi invece esserenonprima avuota odoccupata essereo. bandabandeQueste separate bandquindi proibitapresentare oppureeessere gappossono un o., ,Itotalmente bandeallora 1degenerisovrapposte sovrapposteseessere sonosonopossono.

cosiddettoNotiamo la di livello di Fermidiunpresenza,alto Quelloilquesto rappresenta dipiù energiaassunto fermioni temperaturadai 0ktalla -273,15%1di.

immediatamenteNotiamo ÓKanchecome sianoa ci,elettronitmetallonel liberi) diconduttore muoversielettroni veloceelettroneconduzione l' cineticadi avrà ENERGIA Fermidipiù apario.

È elettroniledell' probabilità/ temperaturaal che glicheunico quindi variare energiadeterminati descrittastati di davaria puòenergia:essereeoccupino eos.fm EÈÈ-DiStatisticaeStatistica "DI ° Per ' fmrs«ee÷ { BatemanÈI MaxwellI e= .= =ECEF1 per "?L' 3,64 » Nnelle ilNdue EFche doveèEE è-equazioni soenergia numerocompare .=,elettroni conduzionedi eddi è aipoi " ?gtetdeidNL.at/fmre III nede at) ). =↗a- statidensità degli statideglinumerounitàdisponibili disponibili perper volumevolume unità didi.

[ " l'otteniamodaZmeftN FermiLIdue di) precedentementeIAllora scrittacui energia...seconda leVediamo bande tipiche che diquindi abbiamo diversisovrappongono menosia o,¢timateriali proprietà diverseCONDUTTORE SEMICONDUTTORE ISOLANTEQscvd( Band seviBand( )sei( Bondgops -egap.. gap-vuota mentrePer BCTeoCome alènotare Per ugualeTeo èpossiamo Teoper,, , materialeBVlivelli al ildi delsotto è semiconduttore canta differenza| piena,Quello Fermidi comporta elettroniglipieni chesono Tcomesi un s oper,al liberidi isolante Perdi T statisono o>sopra invece versonon muovonosi.alcuni elettroni eccitanobassianche (muoversi alti )campicon e disi Blenergia più.daPer BCT da provocando materialeilBV continuaedpossono ad> passareo apassano couducibilitàBCBV isolareminimaunaa elettronidelstudio degli.

Il moto dell'elettrone

moto- dell' elettroneIl principalstudiato mediantemoto due teorie TEORIApuò ClassicoGASDelessere i)DRUDE( Paul( Fermi DiracGASTEORIA PARTICELLELORENTZ ti DIDEL -, - .,

elettrone utilizzeremolo modelli drudedell'studio esistono risultaPer diquello sebbenechevari noi,, diretta ottenutifornisce risultatigeneralizzainterpretazionesemplice daquello un' epiùessere,modelli complessipiù.

In fanno dell' qualelamodellitutti gliApprossimazione Adiabaticacasoogni i perusoquasielettroni fissi loronude qualeatomo fosseroalilcomportano dell' nelleappartengonosi come seposizioni.

alle dellasferavistoNel modello di Drude obbedisceDrudedi atomol' cheè leggiuna caricacomeclassicameccanica. la materiaallaelettricoteoriaConsideriamo Druda che applicando questopiegòprima campoun.

elettronifa caoticagli chechesi anzipiùmuovono muovonomaniera ma siinnon si,elettrico reticolodel delnella muovendosi gliurtaredirezione ionicampoverso possonoe e,,elettronedell'nel motodelle deflessionecristallino avendo cosi.

E- I E)Il tramedio liberoilècollisioniduepercorso mediocammino. il tempoeIl collisione altratempo ètra èuna )( tedi collisionemedioSenza campo ApplicatoElettricoapplicato con campol' elettroniaumenta cinetica la temperaturaconseguentementedegliApplicando E energiaun campo e.

velocitàcalcolarePossiamo interno reticoloelettronila velocitàdelall' talemediadiquindi deglipensare,due componentidata daè:

• Altrimenti0 chiamato Ie§ } elettricodovuta delall'1) Vdvelocità DERIVADi azione⇒ campo=.
• } l'Vtn durantecineticaal trasferimento2) certodovutavelocità diTERMICA energia⇒ =.

la e§¥ liteottenere mobilità portatoreossicino CARICADI FfDiUn µpoi ⇒ == = meedi 0hm.

Legge di Ohm

Legge- circuito figura lxsPrendiamo condottolegeneratorequello tensionedi ait capicomeun suoi⇒in. di il tensionetra circuitoNelcorrenteLa del0hm seguentelegamelegge eesprime caso.lineareil tipotra ¥Ved I quindinotiamo legame Kdiche èscriverepossiamo ⇒ =,elettricatale il coefficiente Ralloraresistenti chiamatoèK di.

dellaL' èresistenza IRè Geinduttanza 1inverso IQuello conduttori dovutaA I èneimicroscopico velocitàelettronimoto degli vdche muovono consi.

Possiamo quindi scrivere: VE S VdDII ne..= =DT DI ne¥la ↗,mentre E5 JDensità corrente neidi ⇒ .. = 6me S 'BILITACONDUCImala mobilità conduttoricoudnabilità @da è neine maggiore= caudnabelitàdi maggioree conseguenzaPossiamo Ipoi riscrivere seguecome: =È_!;!ÉI. sua nie.snriesamene... - =.

Legge di Joule

JoulediLegge- caloreL' correntefenomenoilJoule conduttoreileffetto diè generaper cui passaggio unin.

elettroniillivello ostacolato dalla delA conduttore' resistenzadegli emicroscopico generanopassaggio si,elettroni atomicontro riscaldatoconduttoreurti digli del chedidegli verrà conseguenzacosi RiduzioneConduttore RENDIMENTOURTO RISCALDAMENTOELETTRONI CINETICA PERSA →EN →→DI.

fenomeno traduce rendimentoQuesto deldiminuzioneanche unasi in. temperaturadil'Possiamo aumento DT:ricavarci RÌcalcola PLa VIpotenza:comesi == nell' direttamentecolore intervalloil dteffetto temporaleJoule ècheSappiamo prodotto per Rtadtcorrenteal della resistenzalaproporzionale quindiquadrato:per, calore Q =Ma dallabasta abbiamotermodinamicapoichénon:, MASSA TEMPERATURAµ faDTQ cm= -Lo SPECIFICOCALOREnellaSostituendo otteniamo 'st RITIAtela seconda RIDTcm →prima ⇒ = cmA.

A livello microscopico

MicroscopicoLivello: lail menteConsideriamo tenendo delladiportatoresingolo carica leggeq e cuimeccanica pera,la allorapotenza dissipata è Forza ' avremovelocita:Po, E vdg. .= volumele unitàespletiamo moltiplichiamotermini J linedi diOra Void carichevoi e perin per.

ndtt¢DN =. volume dp dtnunità ottENella di JE.singola voiavremmo: q.... =volumenell' intero abbiamoQuindi: =p ÈPP -52 lavalevale diE. seSe 0hm0hm leggej= =non PelettricaConduzione- )(I ElettroniciSPECIE ElettroniSPOSTAMENTO CAMPOUNl'Di azione Disotto= questilevale VERIPer di 0hmlegge →/CONDUTTORI \ " )( Elettrolitici2 SPECIE ÈTRASPORTO MovimentoAL DiCARICA DOVUTOIl di= DIREZIONI