Appunti rielaborato di Materiali per l'ingegneria

SINTESI DI

PER

MATERIALI

L'

INGEGNERIA

ELETTRICA

INTRODUZIONE

• stati di aggregazione

- s-

sublimazione

Gli

fusione evaporazione

STATO SOLIDO - GASSOSO

stato STATO

-

LIQUIDO

- -

volume solidificazione condensazione

La ha

materia volume

hanno

La volume

materia Non

ha e

liberi

forma tendono ad

propria

e proprio se

ma non

forma il possibile

espandersi

hanno più

propria

I legami chimici

- le tra formazione

alla

atomi

Con interazioni

indichiamo portano di

globalmente che

legame chimico

molecole metallici

cristalli ionica o

o . valore elettro

di

atomi negatività

forma alto

hanno

tra che

legame che

LEGAME covalente un

si

• = forza

atomi la

tra

quindi metallo Il la

esplica

legame lungo

e propria

non . simili

elettricamente

due atomi

di

congiungente . elementi

la gratuità tra

differenza elettrone

ha luogo è

due

che

legame di

LEGAME ionico se

• i

= elettroni

Il mediante la condivisione degli

19 legame

superiore avviene

a ,

. elettroni

particolare dall' atomo

abbiamo il di meno

o più

uno

in passeggio

elettrone

elettrone gatwo gatto

quello più

a .

elettroni valenza elevato

di compartecipazione

LEGAME gli

METALLICO con numero

un

messi

• vengono in

= di

tra forma

atomi atomi

elettroni

Si

di sotto

gli

che dispersi

ha quindi gli sono

. metalli

elettronica

nuvola intensita atomi

bossa Gli quindi

dei degli

Positivo }

ione

uno sono

a .

GLI

IIII

negativi

' atomo di

un

e atomi

elettroni

da valenza legati

circondati pacifici

positivi a

ioni poco

PERSO

HA

Cole La

cosiddetti

; Elettroni suoi

° ELETTRONI presenti

Gli

sono

LIBERI Ultimo

i PARTECIPANO

Livello ENERGETICO sono CHE

Quelli

E

legami E DETERMINANO PROPRIETÀ

CHE

Ai LE

UN ELEMENTO

CHIMICHE Di .

Tg

CAPITOLO 1

• Materiali nell'

impiegati ingegneria

- caratterizzati reticolo

di valenza

nella

Sono banda del

da cristallino

MATERIALI Conduttori Elettroni LIBERI

• = .

Li suddividere

possiamo :

in alluminio ferrose

alluminio di leghe

leghe

argento

tradizionali

1) rame oro e rame

= , , ,

, ,

,

carbonio ; conduttori

conduttive

crioresistiui superconduttori polimeri

2) TRADIZIONALI

NON a

= ,

,

, il

( lineare

caratteristica v - non .

materiali l' di

Sono magnetizza sotto magnetico

di

MATERIALI MAGNETICI capaci campo

azione un

• e sotto

magnetizzati patto loro

di la

lungo che temperatura

rimanere a

a

e rimanga

la temperatura di Curie È detto punto di Curie quel

tra

Distinguiamo : valore di temperatura al di sopra

del quale un materiale

MASSICCI

- ferromagnetico perde alcune delle

tradizionali orientati

cristalli

cristallini

LAMINATI i a

- , sue proprietà (come la

, .

caotica atomi

disposizione degli

AMORFI corrispondenza non univoca tra

i

- campo esterno e

materiale permanenti

magneti leghe

MATERIALI

ALTRI per

:

- , magnetizzazione), e si comporta

speciali ferrati similmente a uno paramagnetico.

, .

materiali parti potenziale

Sono

MATERIALI impiegati

PER l' Isolamento elettrico separare

per

• a

= corrente

differente impedire quindi il di poichè

e per passaggio mancano

dielettrico

le È quest' ultimo

libere da

diverso

cariche perchè

un in

. fenomeni della

verificano polarizzazione

si i .

Possono essere i fluoruro

azoto zolfo

di

Gassosi aria esca

- = .

, ,

minerali

09 liquidi

sintesi

di

oli

LIQUIDI e gas

i

- .

, reticolati

termoplastici polimeri

polimeri

polimeri

solidi

- = ,

,

termoindurenti elettrici materiali

ferro

corta compositi

, ,

,

Difetti e impurezze

- nell'

materiali allineamento

perfetti difetti

cristallini degli atomi

ad

I sempre esempio

sono

non ,

cristallino

reticolo

interno

all' del . TIPO DI Fa

f. DIFETTO

È PLANARI

Difetti

LINEARI

PUNTUALI

Difetti Difetti O

DISLOCAZIONI

loro

Possono volta punto

Rappresenta di

essere un

a qualsiasi

di

alle base

Sano tra

di tipo deformazione discontinuità

diverso di regioni a

processo

: plastica Abbiano i differente orientazione

INTERSTIZIALE

ATOMO cioè

• .

= DISLOCAZIONE SPIGOLO

A

•

atomo colloca = cristallografia Una

che regione

non si con

in

un all' introduzione

corrispondente .

reticolo

definito orientazione

del certa delta

punto è

supplementare una

di

un piano

semi

un ,

reticolo cristallino cristallo

nel " La

" Zona

grano o .

.

traccia intorno

circuito

Si contatto tra

di

un diversi

gran

differenza

alla dislocazione la detta bordo "

del "

è

sostituzione ,

Atomo cioè grano

• = cristallo .

del tra sento

percorso bordi

tra

atomo sostituisce

che Distinguiamo

difetto

cristallo

un difetto

un a

con

e

reticolo

altro lui chiamato DISORIENTA

è ?

DEBOLE (

BORGES

vettore so

Zone e

un di

a

in bordi

estraneo A vite FORTE

Dislocazione disorientati

e

• one

a

.

. -

-

- .

.

- -

.

. .

-

atomo )

(

distinzione puramente

la

di 710

lacune è

mancanza

• un

= .

reticolo cristallino le

dal realta

formale due

poiché in

. le troviamo

dislocazioni insieme

solidi

Nei Ionici possono

si avere : interstiziale

normale

è posto da od

FRENKEL positivo

difetto una

ione

Uno una

posizione ;

= totale reticolo

dal

positivo

di

SHOITKY ione

Difetto negativo

mancanza uno de

= .

livello

Stati Fermi

di

disponibili e

-

Prima teoria

livello la delle col

bande

di

introdurre il

di che

dire

Fermi e cominciamo

, chiamato

le particelle momento

seconda del I anche

possibile loro

catalogare

è angolare

SPIN

a

)

intrinseco . ) la

( statistica

frazionario

semento di

che

quindi

Abbiano FERMIONI seguono

piu o

i a intero

oltre od obbedire al esclusione Paul i

di di ed

FERMI DIRAC Bosoni

principio spia

a

,

, la statistica di

che µ

EINSTEIN

Bose

invece seguono -

Secondo il principio di esclusione di Pauli

AD ESEMPIO DUE Elettroni ←

Nello Stesso

Con spin UGUALE due fermioni identici non possono occupare

ORBITALE . lo stesso stato quantico elemento

struttura bande

Parliamo elettronica

della Come possiede

sappiamo

invece

ora a ogni

, .

elettroni differenti

orbitali differente

ed quindi

di

diversi avrà

occuperà energia

essi

ciascuno .

, tra

Distinguiamo Valenza BANDA

BANDA DI cadutole

DI

e . elettroni

l' da

valenza banda

ultima

banda completamente

La di occupata

od

è essere .

totalmente

La banda

la

conduzione

banda rappresenta

di invece essere

non

prima a

vuota

od

occupata essere

o . banda

bande

Queste separate band

quindi proibita

presentare oppure

e

essere gap

possono un o

.

, ,

I

totalmente bande

allora 1

degeneri

sovrapposte sovrapposte

se

essere sono

sono

possono .

cosiddetto

Notiamo la di FERMI

livello di

un

presenza ,

alto Quello

il

questo rappresenta di

più energia

assunto fermioni temperatura

dai 0kt

alla -273,15%1

di .

immediatamente

Notiamo ÓK

anche

come siano

a ci ,

elettroni

t

metallo

nel liberi

) di

conduttore muoversi

elettroni veloce

elettrone

conduzione l' cinetica

di avrà ENERGIA Fermi

di

più a

pari

o .

.

È elettroni

le

dell' probabilità

/ temperatura

al che gli

che

unico quindi variare energia

determinati descritta

stati di da

varia può

energia :

essere

e

occupino eos.fm EÈÈ

-

Di

Statistica

e

Statistica "

DI ° Per ' fmrs

«ee÷ { Bateman

ÈI Maxwell

I e

= .

= =

ECEF

1 per "

?

L' 3,64 » N

nelle il

N

due EF

che dove

è

EE è

-

equazioni so

energia numero

compare .

= ,

elettroni conduzione

di ed

di è ai

poi " ?

gtetdeidNL.at/fm

re III ne

de at

) )

. =

↳

a- stati

densità degli stati

degli

numero

unità

disponibili disponibili per

per volume

volume unità di

di .

[ " l'

otteniamo

da

Zmeft

N Fermi

LI

due di

) precedentemente

I

Allora scritta

cui energia

. . .

seconda le

Vediamo bande tipi

che che di

quindi abbiamo diversi

sovrappongono meno

si

a o ,

¢

ti

materiali PROPRIETÀ

DIVERSE

CONDUTTORE SEMICONDUTTORE ISOLANTE

Qscvd

( Band sevi

Band

( )

sei

( Bond

gops -

e

gap

. . gap

-

vuota mentre

Per BC

Teo

Come al

è

notare Per uguale

Teo è

possiamo Teo

per ,

, , materiale

BV

livelli al il

di del

sotto è semiconduttore canta differenza

| piena ,

Quello Fermi

di comporta elettroni

gli

pieni che

sono T

come

si un s o

per

,

al liberi

di isolante Per

di T stati

sono o

>

sopra invece verso

non muovono

si

.

alcuni elettroni eccitano

bassi

anche (

muoversi alti )

campi

con e di

si Bl

energia più

.

da

Per BC

T da provocando materiale

il

BV continua

ed

possono ad

> passare

o a

passano couducibilità

BC

BV isolare

minima

una

a elettroni

del

studio degli

moto

- dell' elettrone

Il principal

studiato mediante

moto due teorie TEORIA

può Classico

GAS

Del

essere i

)

DRUDE

( Paul

( Fermi Dirac

GAS

TEORIA PARTICELLE

LORENTZ ti DI

DEL -

, - .

, elettrone utilizzeremo

lo modelli drude

dell'

studio esistono risulta

Per di

quello sebbene

che

vari noi ,

, diretta ottenuti

fornisce risultati

generalizza

interpretazione

semplice da

quello un' e

più

essere ,

modelli complessi

più .

In fanno dell' quale

la

modelli

tutti gli

Approssimazione Adiabatica

caso

ogni i per

uso

quasi

elettroni fissi loro

nude quale

atomo fossero

al

il

comportano dell' nelle

appartengono

si come se

posizioni . alle della

sfera

visto

Nel modello obbedisce

Drude

di atomo

l' che

è leggi

una carica

come

classica

meccanica .

la materia

alla

elettrico

teoria

Consideriamo Druda che applicando questo

piegò

prima campo

un .

.

elettroni

fa caotica

gli che

che

si anzi

più

muovono muovono

maniera ma si

in

non si ,

elettrico reticolo

del del

nella muovendosi gli

urtare

direzione ioni

campo

verso possono

e e ,

,

elettrone

dell'

nel moto

delle deflessione

cristallino avendo cosi

, .

E

- I E)

Il tra

medio libero

il

è

collisioni

due

percorso medio

cammino . il tempo

e

Il collisione altra

tempo è

tra è

una )

( te

di collisione

medio

Senza campo Applicato

Elettrico

applicato con campo

l' elettroni

aumenta cinetica la temperatura

conseguentemente

degli

Applicando E energia

un campo e .

velocità

calcolare

Possiamo interno reticolo

elettroni

la velocità

del

all' tale

media

di

quindi degli

pensare ,

due componenti

data da

è : altrimenti

0 chiamato I

e§ } elettrico

dovuta del

all'

1) Vd

velocità DERIVA

Di azione

⇒ campo

= .

} l'

Vtn durante

cinetica

al trasferimento

2) certo

dovuta

velocità di

TERMICA energia

⇒ = .

la e§¥ lite

ottenere MOBILITÀ PORTATORE

ossicino CARICA

DI Ff

Di

Un µ

poi ⇒ =

= = me

e

di 0hm

Legge

- circuito figura lxs

Prendiamo condottole

generatore

quello tensione

di ai

t capi

come

un suoi

⇒

in .

di il tensione

tra circuito

Nel

corrente

La del

0hm seguente

legame

legge e

esprime caso

.

lineare

il tipo

tra ¥

Ved I quindi

notiamo legame K

di

che è scrivere

possiamo ⇒ =

,

elettrica

tale il coefficiente R

allora

resistenti chiamato

è

K di .

della

L' è

resistenza IR

è Ge

induttanza 1

inverso I

Quello conduttori dovuta

A I è

nei

microscopico velocità

elettroni

moto degli vd

che muovono con

si .

Possiamo quindi scrivere :

VE S Vd

DI

I ne .

.

= =

DT DI ne¥

la ↳,

mentre E

5 J

Densità CORRENTE nei

di ⇒ .

. = 6

me S '

BILITA

CONDUCI

mala mobilità conduttori

coudnabilità @

da è nei

ne maggiore

= caudnabelità

di maggiore

e conseguenza

Possiamo I

poi riscrivere segue

come : =È_!;!É

I. sua nie.sn

riesame

ne . . - =

.

Joule

di

Legge

- calore

L' corrente

fenomeno

il

Joule conduttore

il

effetto di

è genera

per cui passaggio un

in .

elettroni

il

livello ostacolato dalla del

A conduttore

' resistenza

degli e

microscopico generano

passaggio si

,

elettroni atomi

contro riscaldato

conduttore

urti di

gli del che

di

degli verrà conseguenza

cosi Riduzione

Conduttore RENDIMENTO

URTO RISCALDAMENTO

ELETTRONI CINETICA PERSA →

EN →

→

DI .

fenomeno traduce rendimento

Questo del

diminuzione

anche una

si in .

temperatura

di

l'

Possiamo aumento DT :

ricavarci RÌ

calcola P

La VI

potenza :

come

si =

= nell' direttamente

colore intervallo

il dt

effetto temporale

Joule è

che

Sappiamo prodotto per Rtadt

corrente

al della resistenza

la

proporzionale quindi

quadrato :

per ,

CALORE Q =

Ma dalla

basta abbiamo

termodinamica

poichè

non :

, MASSA TEMPERATURA

µ fa

DT

Q cm

= -

Lo SPECIFICO

CALORE

nella

Sostituendo otteniamo 'st RITI

Ate

la seconda RI

DT

cm →

prima ⇒ = cm

A Microscopico

Livello : la

il mente

Consideriamo tenendo della

di

portatore

singolo carica legge

q e cui

meccanica per

a

,

la allora

potenza dissipata è Forza ' avremo

velocita :P

o , E vd

g. .

= volume

le unità

espletiamo moltiplichiamo

termini J line

di di

Ora Void cariche

voi e per

in per .

ndtt

¢

DN = . volume dp dtn

unità ott

E

Nella di J

E.

singola voi

avremmo : q .

. .

. =

volume

nell' intero abbiamo

Quindi : =p È

P

P -52 la

vale

vale di

E. se

Se 0hm

0hm legge

j

= =

non P

elettrica

Conduzione

- )

(

I Elettronici

SPECIE Elettroni

SPOSTAMENTO CAMPO

UN

l'

Di azione Di

sotto

= questi

le

vale VERI

Per di 0hm

legge →

/

CONDUTTORI \ " )

( Elettrolitici

2 SPECIE È

TRASPORTO Movimento

AL Di

CARICA DOVUTO

Il di

= DIREZIONI